runs unabated within a framework of conservation laws and
High energy particle physics is
study of subatomic par-
ticles It usually is shortened to particle physics Quantum
theory and relativity are the theoretical tools of particle phys
ics The hardware of particle
is housed in unimaginably
expensive facilities which couple particle accelerators and com-
The original purpose of particle physics was to discover the
ultimate building blocks of the universe This was to be ac
comphshed bv breaking matter into smaller and smaller pieces,
eventually arriving at the smallest pieces possible The
experimental results of particle physics however have not
been so simple Today most particle
are engaged in
making sense out of their copious findings *
In principle particle physics hardly could bt simpler Phys-
icists send subatomic particles smashing into each other as
hard as they can They use one particle to shatter another
particle so that they can see what the remains are made of
The particle that does the smashing is called the projectile
and the particle that gets smashed is called the target The
most advanced (and expensive) particle accelerators send both
the projectile and the target particles flying toward a common
collision point
The collision point usually is located inside a device called a
bubble chamber As charged particles move through a bubble
chamber they leave trails similar to the vapor trails that jet
liners leave in the atmosphere. The bubble chamber is located
inside a magnetic field This causes particles with a positive
charge to curve in one direction and particles with a negative
charge to curve in the opposite direction The mass of the
particle can be determined by the tightness of the curve that
the particle makes (lighter particles curve more than heavier
particles with the same velocity and charge) A computer-
triggered camera makes a photograph every time a particle
enters the bubble chamber
* The present state of high encrgv
is similar to Ptolemaic astronomy
its collapse under the pressure of the new Ooernican world view The
discovery of new particles and new quantum nu ibers e g charm (to be
discussed later) is analogous to the addition of epicycles piled on an already
unwicldv theoretical structure
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This elaborate arrangement is necessary because most par-
ticles live much less than a millionth of a second and are too
small to be observed directly, t In general, everything a parti-
cle physicist knows about subatomic particles, he deduces
from his theories and from photographs of the tracks that
particles leave in a bubble chamber, tt
Bubble chamber photographs, thousands and thousands of
them, show clearly the frustrating situation which early parti-
cle physicists encountered in their search for "elementary"
particles. When the projectile strikes the target, both parti-
cles are destroyed at the point of impact. In their place, how-
ever, are created new particles, all of which are as "elementary"
as the original particles and often as massive as the original
( THE SAME ! )-
The schematic diagram above shows a typical particle inter-
action. A particle called a negative pi meson (IT") collides with a
proton (p). Both the pie meson and the proton are destroyed
and in their place are created two new particles, a neutral K
meson (K°) and a lambda particle (A). Both of these particles
decay spontaneously (no collision necessary) into two additional
particles, leaving four new particles. Of these four particles,
two of them are the same particles that we started with! It is
as though, wrote Finkelstein, we fling two clocks together,
they shatter, and out of them come flying not gears and springs
but more clocks, some of them as large as the originals.
How can this happen? The answer is partly given by
t The
eye can detect single photons. All of the other subatomic
particles must be detected indirectly.
tt In addition to bubble-chamber physics there is emulsion {photographic plate)
physics, counter physics, etc. However, the bubble chamber is probably the
most commonly used detection device in particle physics.
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Einstein's special theory of relativity. The new particles are
created from the kinetic energy (energy of motion) of the
projectile particle in addition to the mass of the projectile
particle and the mass of the target particle. The faster the
projectile particle is traveling, the more kinetic energy is avail-
able to create new particles at the point of impact. For this
reason, governments have spent more and more money to
construct larger and larger particle accelerators which can push
projectile particles to higher and higher velocities. If both the
projectile particle and the target particle are accelerated to
the point of impact, so much the more kinetic energy is avail-
able to create new particles to study.
Every subatomic interaction consists of the annihilation of
the original particles and the creation of new subatomic par-
ticles. The subatomic world is a continual dance of creation
and annihilation, of mass changing to energy and energy chang-
ing to mass.* Transient forms sparkle in and out of existence
creating a never-ending, forever-newly-created reality.
Mystics from both the East and the West who claim to have
beheld "the face of God" speak in terms so similar to these
that any psychologist who professes an interest in altered states
of awareness scarcely can ignore this obvious bridge between
the disciplines of physics and psychology.
The first question of particle physics is, "What collides?"
According to quantum mechanics, a subatomic particle is
not a particle like a particle of dust. Rather, subatomic parti-
cles are "tendencies to exist' (page 32) and "correlations be-
tween macroscopic observables" (page 70). They have no
objective existence. That means that we cannot assume, if we
are to use quantum theory, that particles have an existence
apart from their interactions with a measuring device (page
95). As Heisenberg wrote:
In the light of the quantum theory . . . elementary parti-
cles are no longer real in the same sense as objects of
daily life, trees or stones . . .
* The mass/energy dualism of our ordinary conceptualizations does not exist in
the formalism of relativity or quantum theory. According to Einstein's E = me
mass does not change into energy or vice versa: Energy is mass. Wherever
energy, E, is present, mass, m, is present and the amount of mass, m, is given
by E = me
. The total amount of energy. E, is conserved, and hence the total
amount of mass, m, also is conserved. This mass, m, is defined by the fact that
it is a source of the gravitational field.
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When an electron, for example, passes through a photo-
graphic plate it leaves a visible "track" behind it This "track,"
under close examination, is actually a series of dots Each dot
is a grain of silver formed by the electron's interaction with
atoms in the photographic plate When we look at the track
under a microscope, it looks something like this
Ordinarily we would assume that one and the same electron,
like a little baseball, went streaking through the photographic
plate and left this trail of silver grains behind it This is a
mistake Quantum mechanics tells us the same thing that
Tan trie Buddhists have been saying for a millenium The con-
nection between the dots (the moving object") is a product of
our minds and it is not really there In rigorous quantum
mechanical terms, the moving object—the particle with an
independent existence-—is an unprovable assumption
According to our customarv wav of reasoning," wrote David
Bohm, a professor of phvsics at Birkbeck College, University
of London
we could suppose that the track of grains of silver indi-
cates that a real electron moves continuously through
space in a path somewhere near these grains, and by
interaction caused the formation of the grams But ac-
cording to the usual interpretation of the quantum theory,
it would be incorrect to suppose that this really happened
All that we can say is that certain grains appeared, but
we must not try to imagine that these grains were produced
by a real object moving through space in the way in
which we usuallv think of objects moving through space
For although this idea of a continuously moving obiect is
good enough for an approximate theory, we would discover
that it would break down in a very exact theory
The natural assumption that objects, like particles, are
real things that run their course in space and time according
to causal laws regardless of whether we are around to observe
them or not is repudiated bv quantum mechanics This is
especially significant because quantum mechanics is the theory
of physics It has explained successfully everything from
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subatomic particles to stellar phenomena There never has
been a more successful theory It has no competition
Therefore, when we look at the tracks in a bubble chamber,
we are left with the question, 'What made
The best
answer that physicists have so far is that "particles are actu-
ally interactions between fields A field, like a wave, is spread
out over a much larger area than a particle (a particle is
restricted to one point) A field, moreover,
fills a
given space, like the gravitational field of the earth fills all of
the space immediately around it
When two fields interact with each other they interact nei-
ther gradually nor at all their areas of contact Rather, when
two fields interact, thev do it instantaneously and at one single
point in space ('
and locally ') These instanta-
neous and local interactions make what we call particles In
fact, according to this theory, these instantaneous and local
interactions are "particles " The continual creation and anni-
hilation of particles at the subatomic level is the result of the
continual interaction of different fields
This theory is called quantum field theory Some major
cornerstones of the theory were laid in 1928 by the English
physicist, Paul Dirac Quantum field theory has been highly
successful in predicting new types of particles and in explaining
existing particles in terms of field interactions According to
this theory, a separate field is associated with each tvpe of
particle Since only three types of particles were known in
1928, only three different fields were required to explain them
The problem today, however, is that there are over one
hundred known particles, which, according to quantum field
theory, require over one hundred different fields This abun-
dance of theoretical fields is somewhat awkward, not to mention
embarrassing, to physicists whose goal is to simplify nature
Therefore, most physicists have given up the idea of a separate
field existing for each tvpe of particle
Nevertheless, quantum field theory is still an important
theory not only because it works, but also because it was the
first theory to merge quantum mechanics and relativity, albeit
in a limited way All physical theories, including quantum
theory, must satisfy the requirement of relativity theory that
the laws of physics be independent of the state of motion of
the observer Attempts to integrate the theory of relativity
with quantum theory, however, have been generally unsuc-
cessful Nonetheless, both relativity and quantum theory are
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required, and routinely used, in the understanding of particle
physics Their forced relationship is best described as strained
but necessary In this regard, one of the most successful inte-
grations of the two is quantum field theory, although it covers
only a relatively small range of phenomena *
Quantum field
is an ad hoc theory That means that,
like Bohr's famous specific-orbits-only model of the atom,
quantum field theory is a practical but conceptually inconsis-
tent scheme Some parts of it don t fit together mathematically
It is a working model designed around the available data to
give physicists a place to stand in the exploration of subatomic
phenomena The reason that it has been around so long is that
it works so well (Some physicists think that it may work too
well Thev fear that the pragmatic success of quantum field
theory impedes the development of a consistent theory)
Even with these well-known shortcomings, the fact is that
quantum field theorv is a successful phvsical theory, and it is
premised on the assumption that physical reality is
According to quantum field theory, fields
alone are real They are the substance of the universe and not
"matter Matter (particles) is simply the momentary manifes-
tations of interacting fields which, intangible and insubstantial
as they are, are the onlv real things in the universe Their
interactions seem particle-like because fields interact very
abruptly and in very minute regions of space
Quantum field theory ' is, of course, an outrageous contra-
diction in terms A quantum is an indivisible whole It is a
small piece of something, while a field is a whole area of
something A quantum field is the juxtaposition of two ir-
reconcilable concepts In other words, it is a paradox It defies
our categorical imperative that something be either this or
that, but not both
The major contribution of quantum mechanics to western
thought, and there arc many, mav be its impact on the artifi-
cial categories by which we structure our perceptions, since
ossified structures of perception are the prisons in which we
unknowingly become prisoners Quantum theory boldly states
that something can be this and that (a wave and a particle) t
* S Matrix theoiv mtiges
theoiv and lelativity but it provides limited
information on the details of subatomic phenomena and it currentK is restricted
to hadron interactions (S Vlatnx theory is discussed in the next chapter)
t The language of quantum theory is precise but tiicky Quantum theory does
not state that something—like light for example
—can be wave like and particle
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It makes no sense to ask which of these is really the true
description Both of them are required for a complete under-
In 1922, Werner Heisenberg, as a student, asked his
professor and friend-to-be, Niels Bohr, "If the inner structure
of the atom is as closed to descriptive accounts as you say, if
we really lack a language for dealing with it, how can we ever
hope to understand atoms'*'
Bohr hesitated for a moment and then said, I think we
may yet be able to do so But in the process we may have to
learn what the word understanding
means '
In human terms it means that the same person can be
good and evil, bold and timid a lion and a lamb
All of the above notwithstanding, particle physicists of ne-
cessity analyze subatomic particles as if they were like little
baseballs that fly through space and collide with each other
When a particle physicist studies a track on a bubble-chamber
photograph of a particle interaction, he assumes that it was
made by a little moving object and that the other tracks on
the photograph likewise were made by small moving objects
In fact, particle interactions are analyzed in much the same
terms that can be applied to the collision of billiard balls
Some particles collide (and are annihilated in the process) and
other newly created particles come flying out of the collision
area In short, particle interactions are analyzed essentially in
terms of masses velocities, and momenta These are the con-
cepts of Newtonian physics and they also apply to automobiles
and streetcars
Phvsicists do this because they have to use these concepts if
they are to communicate at all What is available to them is
usually a black photograph with white lines on it They know
that, (1) according to quantum theory, subatomic particles
have no independent existence of their own, (2) subatomic
particles have wave-like characteristics as well as particle-like
characteristics, and (3) subatomic particles actually may be
manifestations of interacting fields Nonetheless, these white
like at the same tune According to Bohr s comptementai ity (page 93) light
reveals either a particle like aspect 01 a wave like aspect depending upon the
context i e the experiment It is not possible to observe both the wave like
aspect and the particle like aspect in the same situation However both of
these mutually exclusive (complementary) aspects are
hsht In this sense light is both particle like and wave like
lines (more patterns) lend themselves to analysis in classical
terms, and so that is how particle physicists analyze them
This dilemma, the dilemma of having to talk in classical
terms about phenomena which cannot be described in classi
cal concepts is the basic paradox of quantum mechanics It
pervades every part of it It is like trying to explain an LSD
experience We try to use familiar concepts as points of de-
parture, but beyond that, the familiar concepts do not fit the
phenomena The alternative is to say nothing at all
'Physicists who deal with the quantum theory, wrote
are also compelled to use a language taken from ordinary
life We act as if there really were such a thing as an
electric current [or a particle] because, if we forbade all
physicists to speak of electric current [or particles] they
could no longer express their thoughts
Therefore, physicists talk about subatomic particles as if
they were real little objects that leave tracks in bubble cham-
bers and have an independent ( objective ) existence This
convention has been extremely productive Over the last forty
years almost one hundred particles have been discovered
They constitute what Kenneth Ford calls the particle
The first thing to know about the particle zoo is that every
particle of the same species looks exactly alike Every electron
looks exactly like every other electron If you ve seen one,
you ve seen them all Likewise, every proton looks exactly
like every other proton, every neutron looks exactly like every
other neutron, and so on Subatomic particles of the same
type are absolutely indistinguishable
Subatomic paiticles of different tvpes, however, can be
recognized by their distinguishing characteristics (properties)
The first distinguishing characteristic of a subatomic particle is
its mass A proton, for example, has about 1800 times more
mass than an electron (This does not necessarily mean that a
proton is 1800 times larger than an electron since mass and
size are not the same thing—a pound of lead and a pound of
feathers have the same mass)
When physicists refer to the mass of a particle, unless they
* One of the finest popular books on
physics is The World of Elementary
Particles by Kenneth Ford New York
indicate otherwise, they are referring to the mass of the parti-
cle when it is at rest The mass of a particle at rest is called its
rest mass Any mass other than a rest mass is called a relativistic
mass Since the mass of a particle increases with velocity, a
particle can have any number of relativistic masses The size
of a particles relativistic mass depends upon its velocity For
example, at 99 percent of the speed of light a particle s mass is
seven times larger than it is when the particle is at rest
At velocities above 99 percent of the speed of light particle
masses increase dramatically When the former electron ac-
celerator at Cambridge, Massachusetts, was in operation, it
received electrons from a small feeder accelerator The electrons
from the feeder accelerator were fed into the mam accelerator
at 99986 the velocity of light The main accelerator then
increased the velocity of these electrons to 999999996 the
speed of light This increase in velocity may look significant,
but actually it is negligible The difference between the initial
velocity of the accelerated electrons and the final velocity of
the accelerated electrons is the same as the difference in velocity
between one automobile that can make a given trip in two
hours and a faster automobile that can make the same trip in
one hour fifty-nine minutes and fifty-nine seconds
The mass of each electron, however, increased from 60
times to as much as 11,800 times the electron rest mass' In
other words particle accelerators are misnamed They do not
increase the velocities of subatomic particles (the definition of
'acceleration ) as much as they increase their mass Particle
accelerators are
particle inlargers (massifiers
The masses of particles, whether at rest or in motion, are
measured in electron volts An electron volt has nothing to do
with electrons An electron volt is a unit of
(It is the
energy acquired by any particle with one unit of charge falling
through a potential difference of one volt) The point is that to
measure something in terms of electron volts is to measure its
energy, yet this is
the unit of measurement that
particle physicists use to measure a particle s mass For example,
the rest mass of an electron is 51 million electron volts (Mev)
and the rest mass of a proton is 938 2 million electron volts
The transformation of mass into energy and energv into mass
is such a routine phenomenon in particle physics that particle
physicists employ units of energy to designate a particle s
Mass is only one particular form of energy (page 154), the
energy of being. If a particle is moving it not only has energy
of being (its mass) but it also has energy of motion (kinetic
energy). Both types of energy can be used to create new
particles in a particle collision.*
Often it is easier to compare a particle's mass with the
lightest massive particle, the electron, instead of referring to
the number of electron volts it contains. This arrangement
makes the mass of an electron one and the mass of a proton,
for example, 1836.12. Using this system, the mass of any
particle tells immediately how much heavier it is than an
electron. This is the system that is used in the table at the
back of the book.
When physicists listed all the known particles by the order
of their masses, from the lightest to the heaviest, they
discovered that subatomic particles fall into roughly three cat-
egories: the light-weight particles, the medium-weight parti-
cles, and the heavy-weight particles. When it came to naming
these categories, however, they unaccountably lapsed into
Greek again. The group of light-weight particles they called
"leptons," which is Greek for "the light ones." The group of
medium-weight particles they called "mesons" (maze'ons),
which is Greek for "the medium-sized ones." The group of
heavy-weight particles they called "baryons" (bary'ons), which
is Greek for "the heavy ones." Why physicists did not call
these new groups "light," "medium," and "heavy" is one of
the unanswerable questions of physics, t
Since the electron is the lightest material particle, it is, of
course, a lepton. The proton is a heavy-weight particle (a
baryon), although it is the lightest of the heavy-weight parti-
cles. Most subatomic particles are classified in this way, but
not all of them, which brings us to a phenomenon of particle
formula E = me
says that mass is energy: energy is mass. Therefore,
strictly speaking, mass is not a particular form of energy. Every form of
is mass. Kinetic energy, for example, ts mass. As we speed up A particle, and
hence give it energy, AE, it
mass. Am, in exactly the amount
AE = (Am)c
. Wherever energy goes, mass goes.
t Physicists no longer use the terms leptons, mesons and baryons to refer to
particle mass alone. These terms now refer to classes of particles which are
defined by several properties in addition to mass.. For example, the tan particle
(T), which was discovered by a joint team from the Stanford Linear Accelerator
Center (SLAC) and the Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) in 1975, seems to
be a lepton even though it has more mass than the heaviest baryon! Similarly,
the D particles, also discovered by a joint SLAC/LBL team fin 1976) are
mesons even though they have more mass than the tan particle.
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