聊粒子-粲夸克的发现

16 3月

盖尔曼根据SU(3)对称群提出了夸克模型,并预言了上夸克,下夸克,奇夸克,这三种夸克。

提出后,只有少数人支持盖尔曼的理论,例如格拉肖(1932-至今),姓Sheldon。

格拉肖虽然研究的是弱力,并不是研究强力,但他发现盖尔曼的夸克模型不错,很有启发。

当时被发现的轻子有4种(轻子一共6种,后2种当时还没被发现),所以格拉肖觉得夸克应该也不止3种,还有第4种,这样比较对称。

格拉肖就预言了第四种夸克“粲夸克”(charm,表示很有魅力),加入粲夸克可以更好地描述弱力,也就是元素衰变机制。

支持的毕竟只是少数,大多数人对盖尔曼的夸克模型是持质疑态度。

当时了解群论的物理学家并不多,大家都不太懂。而且电荷出现了分数,盖尔曼定义了上夸克的电荷2/3e,下夸克和奇异夸克的电荷都是-1/3e,这种感觉就很不到位,所以大家都觉得不靠谱。

例如盖尔曼刚提出夸克模型,就给他导师魏斯科普夫打电话报喜。导师电话里就说:“国际漫游很贵的,就先不讨论什么夸克这种无聊的话题了吧”

事实胜于雄辩,既然盖尔曼说质子中子等强子是由夸克组成的,那就把它们撞开,看看能不能将夸克撞出来。结果一撞就出事情了,发现质子死活撞不开。

开始以为能量不够,到了1967年SLAC(Stanford Linear Accelerator Center,斯坦福直线加速器中心)做了一系列实验,用了当时最先进的加速器,占地426公顷,直径长达3km,远看就像一门星际大炮。

用这么长的轨道来加速电子,最高可达20GeV能量,去撞击质子(质子就是液态氢)。

其实实验本质和卢瑟福当年的实验室原理都一样,只不过设备更先进,粒子速度更快,撞击的力度更大,大力出奇迹。

结果发现质子就像个软皮糖,软绵绵的,就是撞不碎。所谓软就是硬。他强任他强,清风抚山岗。他横由他横,明月照大江。

电子不行,换成质子对撞。

1971年CERN(欧洲核子研究组织)建造了一台质子-质子对撞机,全名叫交叉碰撞储存环ISR(Intersecting Storage Rings)。

同样也无法将质子撞开,但质子绝对不是实心球体,里面有东西。

撞不开就无法下定论夸克究竟存不存在,所以人们将这个现象起名“夸克禁闭”

顺便说一下,CERN坐落在日内瓦,是现在世界上最大的粒子物理实验室,有现在世界最大的强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)。

这下尴尬了,通常提出理论后,做实验撞开看看,有就表示理论对,没有就表示理论错。现在撞不开,理论就像薛定谔的猫,处于既对也错的叠加态。

轮到丁肇中(1936-至今)先生出场了。

丁肇中先生祖籍是山东日照,父母都是大学教授。出生在美国,出生后两个月就随父母回到了国内,1948年12岁的丁先生又随父母去了台湾。

大学开始学的是机械工程,后来发现对物理感兴趣,所以大二转物理了。毕业后留学美国密歇根大学的物理系读博,毕业后去了CERN工作,成了一位实验物理学家。后来回到哥伦比亚大学担任讲师。现在也经常回国开讲座。

丁肇中先生第一次展露头角,是在哥伦比亚大学通过实验维护了量子电动力学QED理论的正确性。

当时有一些人在做通过光子产生电子对的实验,但实验数据和QED的理论数据差距比较大,例如康奈尔大学,哈佛大学,MIT都得到实验和理论不一致的结果。所以人们开始怀疑QED的正确性。

丁肇中先生觉得可能是实验误差,重新做了实验,果然其他人都错了,让世人都记住了这位初出茅庐的年轻实验物理学家。

因为这个实验和之后的夸克有点关系,所以介绍一下。丁肇中先生当时实际是在做一系列实验,目的是研究“重光子”

重光子并不是光子,而是一种介子,全名叫“矢量介子”。性质和光子很像,和光子有一样的自旋,宇称值等,但有质量,所以起名叫重光子,但本质上和光子是两回事。

正负电子对会相互湮灭后产生光子,但这个过程你只要提高正负电子对的能量,产物就有可能变成矢量介子。

反之也行,光子和其他物质发生作用时有可能先变成了矢量介子,然后矢量介子衰变成正负电子对。

丁肇中先生用高能光子,轰击金属铍等核靶的原子核。(必须是高能光子,否则就成了光电效应,康普顿散射,普通光子只能将电子打出来。)至少使用6GeV的加速器来代替普通的光源,产生的高能光子的波长就比原子核还短,才能保证轰击到原子核。

一旦高能光子打到原子核上,就可能产生矢量介子。然后矢量介子衰变成正负电子对。

丁肇中先生的实验,不仅证明了电子没有固定半径,能量越高,测得的半径就越小(至今人类都不知道电子体积的下限在哪里),还让人们知道了三种矢量介子分别是ρ,ω,φ,质量都在1GeV左右。

到了1967年丁肇中先生在实验物理界的地位已经非常高了,很多知名大学纷纷向他发出邀请。最后决定去麻省理工当教授,因为MIT许诺可以给他一个独立实验室。丁肇中先生就在那里继续做自己矢量介子的实验。

矢量介子只有这3个吗?会不会提高能量又发现新的矢量介子呢?丁肇中先生开始寻求各种大型实验室合作,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。丁肇中先生相信在这个过程中一定会有高能的正负电子对出现,就有可能产生新的矢量介子。

实验其实很危险,因为会有很多放射性物质。

最终用了5吨铀238,100吨铅用来抵挡放射出来的光子,电子,μ子这些电磁作用粒子。用1w吨钢筋水泥来抵挡质子,π介子这些比较大的粒子。

还有穿透力极强的中子要防御,最好用富含氢的元素,例如液态氢,让中子减速。但液态氢易燃易爆,不太好控制,本身就很危险。最后用了5吨肥皂,因为肥皂里富含氢。

这个实验从1971年到1973年都没什么进展,因为矢量介子出现的概率实在太低了,100亿个粒子中才有可能出现一个矢量介子。直到1974年11月11日,实验小组才对外宣布,在3GeV的地方发现了一个新粒子。

当时丁肇中先生去SLAC溜达,碰到了当时在SLAC做实验的里克特(1931-2018)

两人一通商业互捧后,同时说自己最近发现了新粒子,将实验数据拿来一对比,就是同一种粒子。就是这么巧,两人几乎在同一时间发现了相同的新粒子。

唯一的区别是,实验方式不太一样。

丁肇中先生用质子轰击原子核产生新粒子衰变成正负电子对,再通过正负电子对去寻找这个新粒子。而里克特正好反过来,直接用正负电子对对撞来产生新粒子。

丁肇中将新粒子命名为J粒子,里克特将新粒子命名为ψ粒子(就是波函数的ψ)。 最后两人倒也非常客气,将这个新粒子命名为J/ψ粒子,并因此获得了1976年诺贝尔物理学奖。

二战后发现了200多个新粒子,当时发现新粒子已经不足以获得诺奖了,之后发现新粒子也不足以获得诺奖,为何J/ψ粒子这么特殊,能获得诺奖呢?

因为J/ψ粒子用当时任何一种理论模型就解释不了,哪怕用盖尔曼的夸克模型也解释不了,夸克间怎么组合也得不到J/ψ粒子。

J/ψ粒子的质量是质子的3倍,寿命应该很短,结果它的寿命是10^-20秒左右,比其他这么重的粒子的寿命要长1000倍,这也是无法解释的。

最后人们发现J/ψ粒子,能用文章开头提到的格拉肖预言的第四种夸克“粲夸克”来解释。

J/ψ粒子由正反粲夸克组成,所以也是一种介子。至此人们才开始愿意相信夸克理论的正确性。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注