π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展。以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性。首先，这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制。此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多。可调参数越多，说明这个理论离成熟性与完整性越远。再加上现有的各种核模型间缺乏统一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚少。追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关。按传统认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用。事实上，早在30年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度。1932年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的。然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢？1935年，汤川秀树发表了核力的介子场理论，他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势。
     根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化。1947年，π介子在宇宙射线中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖。随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现，在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外，还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各种核子的共振态△、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等，情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。多年来，人们一直在寻求着核内存在π介子的直接或间接的实验证明。一个主要的困难是得知核内存在π介子，需要波长极短的入射粒子束。为避免强相互作用带来更多的不确定性，人们选用了入射光子的方法。近年来，有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明。其一是氘核的光分裂实验，人们用两种方法计算了氘核光分裂γ+D→n+p 过程的反应截面。
     结果发现，在入射光子能量Er≤50MeV情况下，认为核只具有纯核子自由度的计算结果与实验符合，偏差只有10%左右；然而当Er＞50MeV时，纯核子自由度的计算与实验结果的偏离明显地加大，只有考虑了π介子自由度以后，才与实验结果一致。这一实验不仅证明了核内π介子的存在，而且还说明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表现出来。另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对3He形状因子的研究实验。实验结果表明，在电子与核的动量转移过程中，越接近核中心区域，动量交换值越大，核中心区域是高动量转移区，核的边缘为低动量转移区，而只有在低动量转移区，纯核子自由度理论才与实验结果符合，在高动量转移的中心区，必须计入π介子及△自由度的影响，才能与实验符合。这个实验不仅证明了核内π介子自由度的存在，而且进一步指出，在原子核的中心区域，非核子自由度问题的重要性更为突出。