丁肇中的11月革命

上期簡要介紹了由于夸克禁閉的存在，夸克理論也蒙上了一層神秘色彩。但其實(shí)還是有人相信夸克理論的，就比如美國物理學(xué)家格拉肖，他在蓋爾曼提出夸克理論之后不久就表示很喜歡夸克模型，但是格拉肖認(rèn)為夸克不只有三種，應(yīng)該還有第四種，格拉肖還給這第四種夸克起了名叫做粲夸克（charm）有魅力的。

格拉肖為啥要預(yù)言第四種夸克呢？一個(gè)原因是他當(dāng)時(shí)是在研究弱相互作用，他發(fā)現(xiàn)通過加入第四種夸克可以更好的描述弱力，也就是衰變的機(jī)制。還有一點(diǎn)，咱們之前說過輕子一共有6種，但是當(dāng)時(shí)就只發(fā)現(xiàn)了4種，所以感覺輕子和夸克同為基本粒子，應(yīng)該也有某種對稱的性質(zhì)，所以夸克有可能也是4種。不過三夸克理論還沒被人普遍接受呢，這第四種夸克自然人們就更不相信了。接下來的故事就輪到丁肇中先生出場了。

1964年，丁肇中在哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任講師其期間，他主要在研究一個(gè)叫做“重光子”的東西。你可能會(huì)問，光子本身沒有質(zhì)量，怎么還有輕重之分呢？對，實(shí)際上重光子不是光子，而是一種介子，它的全名叫做矢量介子。這種粒子和光子的性質(zhì)很像。我們知道正負(fù)電子對是可以相互湮滅然后產(chǎn)生光子的，但是這個(gè)過程只要提高正負(fù)電子對的能量，產(chǎn)物就有可能變成這種矢量介子。反過來也行，光子在和其它物質(zhì)發(fā)生相互作用的時(shí)候，有可能會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電子對。但是這個(gè)正負(fù)電子對是怎么來的呢？實(shí)際上是光子先變成了矢量介子，然后矢量介子衰變產(chǎn)生了正負(fù)電子對。這些矢量介子有質(zhì)量，但除此之外與光子有一樣的自旋、宇稱值等等，所以才被叫做“重光子”。

丁先生具體做的實(shí)驗(yàn)室用光子轟擊金屬鈹?shù)群税校绻阌杏∠髴?yīng)該還記得，這和之前光電效應(yīng)、康普頓散射的實(shí)驗(yàn)差不多，對，但是之前的實(shí)驗(yàn)只是為了把電子打出來，但丁肇中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且Z擊原子核，因此就需要使用高能光子，至少要使用6GeV的加速器來代替普通的光源，這樣光子的波長就比原子核還要短，才能保證轟擊到原子核。一旦高能光子打到原子核就有可能產(chǎn)生矢量介子，然后矢量介子再衰變成正負(fù)電子對。通過一系列實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)了三種矢量介子。1967年丁肇中受邀來到MIT麻省理工學(xué)院，帶領(lǐng)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，繼續(xù)完成自己的實(shí)驗(yàn)。這些矢量介子就只有三個(gè)么？會(huì)不會(huì)因?yàn)槟芰坎粔蜻€有別的矢量介子存在呢？于是他開始尋求各種大型實(shí)驗(yàn)室的合作，最后紐約的布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室同意了合作計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是使用高達(dá)30GeV能量的質(zhì)子去轟擊原子核，丁肇中相信在這個(gè)過程中一定會(huì)有高能正負(fù)電子對的出現(xiàn)，這樣就有可能生成其它的矢量介子。

1971年到1973年都沒有什么進(jìn)展，主要原因就是矢量介子出現(xiàn)的概率太低了，100億個(gè)粒子中才有可能出現(xiàn)一個(gè)矢量介子。不過功夫不負(fù)有心人，終于到了1974年11月11日這一天，丁肇中實(shí)驗(yàn)小組對外宣布，在3GeV的地方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子！有趣的是，就在丁肇中團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)新粒子的當(dāng)日，SLAC團(tuán)隊(duì)也宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，他們項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人是物理學(xué)家里克特。更巧合的是，他倆發(fā)現(xiàn)的粒子質(zhì)量都是質(zhì)子的3倍，壽命都是10^-20秒，唯獨(dú)不同的是丁肇中管它叫做J粒子，里克特管它叫做ψ粒子。原來是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，使用的方法還不一樣，就這樣這個(gè)J/ψ粒子就被發(fā)現(xiàn)了。1976年丁肇中和里克特因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子共同獲得了這一年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

其實(shí)在J/ψ粒子發(fā)現(xiàn)之前，人們還發(fā)現(xiàn)了很多種新粒子，那為什么唯獨(dú)這個(gè)J粒子能得諾獎(jiǎng)呢？這是因?yàn)镴粒子用當(dāng)時(shí)的任何一種模型都不放不進(jìn)去，無法解釋。比如說蓋爾曼的三夸克模型，根據(jù)他的理論強(qiáng)子是由夸克或者反夸克組成的，不過通過這三種夸克的正反組合，不管怎么組合都得不到J粒子。而且J粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的3倍左右，但這么大的質(zhì)量應(yīng)該壽命很短才對，結(jié)果它的壽命是10^-20秒左右，比其他質(zhì)量差不多的粒子要高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是當(dāng)時(shí)無法解釋的。這時(shí)候人們忽然想到了，格拉肖當(dāng)年預(yù)言了第四種夸克粲夸克！正反粲夸克組成的正是這個(gè)J粒子，因此J粒子是一種介子。

只有加入粲夸克才能解釋這個(gè)J粒子的性質(zhì)。所以J粒子的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是人們發(fā)現(xiàn)了第四種夸克了，從這之后人們才相信了夸克理論是正確的，并且正式把粲夸克引入了標(biāo)準(zhǔn)模型。因此丁肇中的發(fā)現(xiàn)被人們稱作是物理學(xué)上的11月革命。到了 1977年美國物理學(xué)家萊德曼又發(fā)現(xiàn)了Y粒子，證明了第五種夸克底夸克的存在，bottom，用字母b來表示，底夸克的質(zhì)量是質(zhì)子的10倍之多。后來物理學(xué)家又推測，應(yīng)該還存在一個(gè)與底夸克相對應(yīng)的頂夸克top，用t來表示，這樣6個(gè)夸克就齊了，輕子也剛好有6個(gè)，不過頂夸克一直到1995年才發(fā)現(xiàn)?？傊?，從這之后再也沒有人懷疑夸克模型的正確性了。

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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