[提要] 统一基本相互作用模型暗示，存在着许多质量范围在10×10⁹ev（10 GeV）到100×10¹² eV（100 TeV）的粒子。在这些粒子中间，有些可能是荷电的粒子X^±，它们是稳定的或几乎是稳定的。X⁺粒子将会形成超重氢，而X^-粒子则往往结合在一些原子核上。化学分离天然存在的锝（Tc）、钜（Pm）、锕（Ac）、镤（Pa）、镎（Np）或镅（Am）将会表明超重粒子的存在，存在的形式是RuX^-、SmX^-、²³²ThX^-、^253,236,238UX^-、²⁴⁴PuX^-或²⁴⁷CmX^-。其它值得探索的物质包括具有硼（B）氟（F）、锰（Mn）、铍（Be）、钪（Sc）、钒（V），锂（Li）、氖（Ne）和铊（Te）化学性质的超重元素。

一切有形物质看来都是由质子、中子和电子组成的。但是，痕量超重（譬如说100 GeV到100 TeV）稳定粒子的存在并未完全排除。涉及到电解并随后分析巨大重水样品的最近一项工作，确定了水中存在很重氢同位素的精确极限。对于达1 TeV质量的超重氢，这个极限是大约10³⁰分之一。在1—100 TeV之间，该极限在10¹⁴分之一到10¹⁵分之一之间。仍然有可能存在着超重粒子，但其浓度不到10¹⁵分之一左右；当然超重粒子也有可能以更高的浓度存在，但由于一些地球物理学原因，它们在上述研究工作中的重水样品里是不存在的。我们坚持认为，既在一般性的基础上，又根据统一弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用模型的暗示，确有实实在在的理由去继续进行并且扩大质量探索工作。

我们将概述种种可以导致分离和鉴定超重物质的化学途径。这些方法将会补充已经完成的氢探索工作。一切对稀有同位素的探索要受地球的地球物理和地球化学演变史的不定性支配。后面提出的探索工作将受一些因素的影响，但这些因素与那些影响重水探索工作的因素是不相同的。此外，化学和物理分离技术的结合使用有可能达到比在高于1 TeV质量范围中氢所达到的更高水平的灵敏度。

在历史上，化学探索地球上种种新的稳定物质在三十年代以提出一个成功的原子核模型而告终。在所有物质均由电子和核子组成这一老观念的束缚下，人们几乎没有什么可能去探索如像天然存在的原子量竟高达数千之多的锂或镅这样的重同位素。最近几十年的老教条坚持，新的粒子只有在大型加速器或在宇宙射线中由粒子物理学家们来发现，而肯定不是由化学家们在矿井中找到。然而，我们对基本理论的理解还是很有限的，使我们不敢排除可能存在很重的稳定粒子，其存在形式是原子核的稀少但又是天然存在的组成部分。它们可能是太重了，以至用现有的加速器不能产生和研究它们。也许这些新型的粒子确实存在，它们具有潜在的技术意义，而且有可能和我们共存在地球之上。一个重要的老生常谈是，如果我们不探索这些粒子的话，我们将不会发现它们。在这方面我们应该回忆一下延误发现氩的事，氩是一种大气中占百分之一的成分。这个发现是在不到一个世纪前的事，这类事意外得有些荒谬绝伦，现今我们也许还要预先防止出现这类事。

探索的推动力

这种电弱理论能扩大到把强相互作用包括进去，例如那些结合原子核中质子和中子的力。在其最简单的形式中，这些理论还是没有深入地了解ω玻色子的质量。但是有些建议提出这样扩展这些模型，让ω玻色子质量（或等当的G_F值）由该理论中其他力的强度来决定。这些力类似于夸克间的“色”力，因而被称之为超色（Hypercolor）或彩色（Technicolor）力。虽然色力的特征是能量标度为1 GeV，但彩色力却具有1 TeV的能量标度。除了夸克之外，这些理论还有彩色夸克（techniquark）。这些彩色夸克能够结合生成彩色重子（technibaryon）。跟质子和中子一样的普通重子内部有三种夸克，因为其色力是由SU(3)群推出来的。如果彩色重子的彩色力与一个SU(4)或SU(5)群有关，'则它就有可能具有四种或者五种夸克。

合并弱相互作用、电磁相互作用以及强相互作用的最简单理论预言：质子并不是绝对稳定的，而是以大约10³⁰年生存期衰变着。我们也可以对彩色重子作一些类似的预言。用这种方法我们估计SU(4)彩色重子的生存期约为10¹⁰年。对这类彩色重子的存在也可以估出一些严格的极限，因为在宇宙射线实验中根本没有观察到过这样的衰变。对于SU(5)的情况，我们估计生存期大约为10⁷⁰年。这样长的生存期应该说确实是稳定的。

当然，也可能有些其他理由证明，稳定的很重粒子是存在的。类似于彩色模型的模型可能具有某种阻止一些粒子衰变的储备量子数（Conserved quatum number）。在TeV范围稳定粒子存在可能性的最普遍论点只不过是这样的：如果存在有跟ω玻色子一样具有这样质量的粒子，则同样很可能存在有其他一些粒子，而且其中有些粒子可能是靠几种中任何一种机制稳定的。

超重子的假设性质

我们不打算估计超重粒子的浓度，而只是想假定：有些超重粒子产生在大爆炸过程之中，而且有小部分残存在粒子——反粒子湮灭之后。我们还将假定：幸存的超重粒子在整体上是荷电的：X^±。还将假定这些粒子仅与常规物质发生电磁相互作用。但是，这个假设可能不太重要，而且我们的大多数预想也不会因包括进一些常规强子相互作用而受影响。对于我们的目的来讲，X^±粒子是费米子还是玻色子那是无关紧要的。当然，如果存在稳定的中性X粒子，则强子相互作用的存在与否对于它们来讲具有头等重要的意义。X⁺粒子的作用相当于若干个质子，（可能）没有强子相互作用。因此，人们将会以超重氢的形式发现它们。

假如X^-粒子存在的话，它们应该分布在各种不同的原子核中间。X^-粒子与原子核的结合可以用一个简单的模型来估计，在这种模型里，原子核被看作是一个具有均匀电荷密度的球体，而且假定X^-的质量比该原子核的质量大得多。于是哈密尔顿函数是：

在这些极端条件之间，只要用变分法处理这个问题就够了，采用的波函数形式是ψ ~ e^-rrr,。处理结果是：

锝和钷

通过核合成，X^-粒子往往被分布在这些核素中间。组合物RuX^-和SmX^-具有特别重要的意义，因为它们具有锝和钷原子核的电荷，而这两种原子核在自然界里还没有找到，因为它们最稳定的同位素的半衰期也分别只有4.2×10⁶年（⁹⁸Tc）和17.7年（¹⁴⁵Pm）。因此，用化学分离技术发现的任何锝和钷，都应该被怀疑实际上分别是RuX^-和SmX^-。如果用化学方法分离出一个足够大的总量出来，则人们就可能会简单地通过密度测量来证实超重物质的存在。有了较小的总量，也许中子活化分析就可以提供一个明确的指示：这种超重的锝将具备锝的化学性质，但不具备其核化学性质。此外，超重锝将不是放射性的。

探索锝的最佳程序也许就是细心分析研究含有铼的物质，在化学上铼与锝最为相似。这个程序曾经导致诺达克（W. Noddack）、塔凯（I. Take）和贝尔格（O. Berge）虚假地发现天然的锝，他们把它命名为钨（“masurium”）。对于钷，最值得留心的地方也许就是那些发现邻近镧系元素钕和钐的地方。这个程序也曾经一度导致豪帕金（B. Hopkin）和劳拉（L. Rolla）虚假地发现天然存在的钷，豪帕金曾把它命名为“钬”（“illinium”），劳拉曾把它命名为“florentium”。

既然X^-的存使稳定性推移到更高的则有必要检验超重核素RuX^-和SmX^-是否稳定而不发生β衰变。RuX^-的静电结合比RhX^-同量异位素少0.4 MeV。结合能的检查表明，甚至在添加了X^-的情况下M=96、98、99、100、101、102和104的同位素也确实仍然是稳定的。对于Sm，这种静电位移约为0.34 MeV。A=144、149、150、152和154的同位素也仍然是稳定的。4=146、147和148的钐同位素是α发射体，其半衰期分别是1×10⁸年、1×10¹¹年和8×10¹⁵年。超重类似物^146,147,148SmX^-也应是α发射体，但释放的能量要少0.5 MeV左右，因而其半衰期要长得多。因此，我们可以得出如下结论：钌和钐稳定形式的超重类似物本身也应是稳定的。

锕系

锕和镤存在着一个类似于锝和钷的情况。虽然没有铀或钍的同位素是绝对稳定的，但²³⁸U和²³²Fh的半衰期分别长达4.5×10⁹年和1.4×10¹⁰年。因此，如果存在着稳定的X^-，超重核素²³⁸UX^-和²³²FhX^-两者则都应该是存在的。这些原子核应生成分别具有镤和锕化学性质的原子。这两种元素都不存在于自然界、因为它们最长的同位素²³¹Pa，半衰期也仅为3.3×10⁴年。实际上，²³⁸UX^-和²³²FhX^-的半衰期将远远超过10¹⁰年，因为X^-的存在增大了α衰变中相对于子核的母体核的稳定性。采用方程式（2）我们求得：在α衰变中发出的α粒子的能量比无X^-存在时的少0.4 MeV。采用盖革 - 努塔耳定律和已知的各种铀和钍同位素的半衰期，我们估计这些重同位素的半衰期还要长10³倍。这就使²³⁵UX^-和²³⁶UX^-的半衰期也比得上宇宙的年龄。的确，甚至²⁴⁷CmX^-和²⁴⁴PuX^-也会有大约10¹⁰年的半衰期。这两种组合物分别具有镅和镎的化学性质。X^-也有可能通过抑制自裂变使Z大于105的原子核稳定。总之，探索天然存在的锕、镤、镅和镎将是寻找超重荷电的稳定性粒子的一种重要手段。

增大的其它部位

这一几率P（Z）不可能代表现在地球范围以内的几率，因为在地球形成期间及那以后曾发生过许多过程。但是，让我们的讨论还是在不考虑这种修正的情况下开始。然后采用方程式（7），列出各种元素的量AN⁰(Z+1)/N⁰(Z)，我们就能选定探索超重粒子的良好备选对象。表2中示出了一些节选值。我们看到，奇数Z原子核的值最大。这简单地反映了偶数Z原子核的核稳定性更大，因此这些原子核在核合成时生成的量就更大。

从表2我们看到，几种其它的元素是探索超重物质的特别吸引人的备选对象，这些元素是硼、氟、猛、铍、钪和钒。在这些情况下，中子活化分析有可能被用来鉴定不是正在被研究的这种元素的核结构的一种组成部分。

对方程式（8）给出的近似有一个例外，这就是⁸BeX^- ，我们预期它是相当容易制出来的。用探索研究锂的工作应能获得这种超重原子核的极限。

对方程式（8）的另一个例外大概是铅。既然X^-的存在把稳定性推向更高的Z，所以X^-粒子很可能会优先在高Z原子核中发现。除了有利于几乎稳定的锕系元素外，这还将导致在铅里浓集。其结果将形成PbX^-，化学性质与铊相同。

方程式（9）描述的几率，忽略了在地球形成期间或自那以后发生的任何作用。特别是原来存在的大多数挥发性元素，从原始大气中消失。因此，尽管氖是核合成的基本成分，但现在它在大气中是相当稀少的（按体积计是百万分之十八）。NaX^-在化学上按理是一种稀有气体，它有可能幸免发生引起一些挥发性元素消失的那种过程。在表3里我们列出了提出的一系列探索工作。

现在，非氢物质中超重核浓度的极限是相当少的。化学法测量出的质量和质谱法测出的质量之间的吻合程度约为十万分之一。词此）在A≈100的物质中100 TeV的X^-粒子的浓度必定低于10⁸分之一。当然，最理想的是把它推向远远超出这个标度范围，如同在重水中已经出现的情况那样。

[Science，1980第207卷4427期]

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* Robert Cahn是加利福尼亚劳伦斯伯克利实验室的分部研究员。

** Sheldon Glashow是麻省理工学院理论物理中心的访问教授，也是哈佛大学Higgins物理教授。