丁肇中的11月革命

上期简要介绍了由于夸克禁闭的存在，夸克理论也蒙上了一层神秘色彩。但其实还是有人相信夸克理论的，就比如美国物理学家格拉肖，他在盖尔曼提出夸克理论之后不久就表示很喜欢夸克模型，但是格拉肖认为夸克不只有三种，应该还有第四种，格拉肖还给这第四种夸克起了名叫做粲夸克（charm）有魅力的。

格拉肖为啥要预言第四种夸克呢？一个原因是他当时是在研究弱相互作用，他发现通过加入第四种夸克可以更好的描述弱力，也就是衰变的机制。还有一点，咱们之前说过轻子一共有6种，但是当时就只发现了4种，所以感觉轻子和夸克同为基本粒子，应该也有某种对称的性质，所以夸克有可能也是4种。不过三夸克理论还没被人普遍接受呢，这第四种夸克自然人们就更不相信了。接下来的故事就轮到丁肇中先生出场了。

1964年，丁肇中在哥伦比亚大学担任讲师其期间，他主要在研究一个叫做“重光子”的东西。你可能会问，光子本身没有质量，怎么还有轻重之分呢？对，实际上重光子不是光子，而是一种介子，它的全名叫做矢量介子。这种粒子和光子的性质很像。我们知道正负电子对是可以相互湮灭然后产生光子的，但是这个过程只要提高正负电子对的能量，产物就有可能变成这种矢量介子。反过来也行，光子在和其它物质发生相互作用的时候，有可能会产生正负电子对。但是这个正负电子对是怎么来的呢？实际上是光子先变成了矢量介子，然后矢量介子衰变产生了正负电子对。这些矢量介子有质量，但除此之外与光子有一样的自旋、宇称值等等，所以才被叫做“重光子”。

丁先生具体做的实验室用光子轰击金属铍等核靶，如果你有印象应该还记得，这和之前光电效应、康普顿散射的实验差不多，对，但是之前的实验只是为了把电子打出来，但丁肇中的实验目的是要轰击原子核，因此就需要使用高能光子，至少要使用6GeV的加速器来代替普通的光源，这样光子的波长就比原子核还要短，才能保证轰击到原子核。一旦高能光子打到原子核就有可能产生矢量介子，然后矢量介子再衰变成正负电子对。通过一系列实验，他发现了三种矢量介子。1967年丁肇中受邀来到MIT麻省理工学院，带领了一个实验小组，继续完成自己的实验。这些矢量介子就只有三个么？会不会因为能量不够还有别的矢量介子存在呢？于是他开始寻求各种大型实验室的合作，最后纽约的布鲁海文国家实验室同意了合作计划，实验目标是使用高达30GeV能量的质子去轰击原子核，丁肇中相信在这个过程中一定会有高能正负电子对的出现，这样就有可能生成其它的矢量介子。

1971年到1973年都没有什么进展，主要原因就是矢量介子出现的概率太低了，100亿个粒子中才有可能出现一个矢量介子。不过功夫不负有心人，终于到了1974年11月11日这一天，丁肇中实验小组对外宣布，在3GeV的地方发现了一个新粒子！有趣的是，就在丁肇中团队宣布发现新粒子的当日，SLAC团队也宣布发现了一个新粒子，他们项目的负责人是物理学家里克特。更巧合的是，他俩发现的粒子质量都是质子的3倍，寿命都是10^-20秒，唯独不同的是丁肇中管它叫做J粒子，里克特管它叫做ψ粒子。原来是两个团队在几乎同时发现了同一种新粒子，使用的方法还不一样，就这样这个J/ψ粒子就被发现了。1976年丁肇中和里克特因为发现了J/ψ粒子共同获得了这一年的诺贝尔物理学奖。

其实在J/ψ粒子发现之前，人们还发现了很多种新粒子，那为什么唯独这个J粒子能得诺奖呢？这是因为J粒子用当时的任何一种模型都不放不进去，无法解释。比如说盖尔曼的三夸克模型，根据他的理论强子是由夸克或者反夸克组成的，不过通过这三种夸克的正反组合，不管怎么组合都得不到J粒子。而且J粒子的质量是质子的3倍左右，但这么大的质量应该寿命很短才对，结果它的寿命是10^-20秒左右，比其他质量差不多的粒子要高出3个数量级，这也是当时无法解释的。这时候人们忽然想到了，格拉肖当年预言了第四种夸克粲夸克！正反粲夸克组成的正是这个J粒子，因此J粒子是一种介子。

只有加入粲夸克才能解释这个J粒子的性质。所以J粒子的发现实际上是人们发现了第四种夸克了，从这之后人们才相信了夸克理论是正确的，并且正式把粲夸克引入了标准模型。因此丁肇中的发现被人们称作是物理学上的11月革命。到了 1977年美国物理学家莱德曼又发现了Y粒子，证明了第五种夸克底夸克的存在，bottom，用字母b来表示，底夸克的质量是质子的10倍之多。后来物理学家又推测，应该还存在一个与底夸克相对应的顶夸克top，用t来表示，这样6个夸克就齐了，轻子也刚好有6个，不过顶夸克一直到1995年才发现。总之，从这之后再也没有人怀疑夸克模型的正确性了。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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