第10章 1976年諾貝爾物理學獎——J_ψ粒子的發現(1 / 3)

1976年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州斯坦福直線加速器中心的裏克特和美國馬薩諸塞州坎伯利基麻省理工學院的丁肇中,以表彰他們在發現一種新型的重的基本粒子中所作的先驅性工作。

粒子物理學的發端可以從1932年正電子的發現說起,到了20世紀50年代,陸續發現了反質子、π介子、反Λ粒子等30多種新粒子,其中穩定的有7種。壽命大多長於10-16秒。後來又發現了許多壽命更短的粒子,這些粒子也叫做強子共振態,是通過強相互作用衰變的。蓋爾曼的誇克模型理論,解釋了這些強子共振態,其預言的Ω-粒子又被實驗證實。這時粒子物理學似乎已經達到了頂峰,沒有什麼事情可做了。然而,正是在這一短暫的沉靜時期,1974年同時有兩個實驗小組,宣布發現了一種壽命特別長、質量特別大的粒子。

這項發現的宣布,打破了沉悶的空氣,使物理學家大為驚訝,推動粒子物理學邁向新的台階。這項新的發現就是由裏克特領導的SLAC-LBL合作組所發現的ψ粒子和由丁肇中領導的MIT小組所發現的J粒子。人們統稱之為J/ψ粒子。

SLAC是斯坦福直線加速器中心的簡稱,LBL是勞倫斯伯克利實驗室的簡稱。兩家共同組成一個合作組,為SLAC正負電子對撞機(SPEAR)配製了一台取名為MarkI的磁探測器,目的是探測4GeV的正負電子束對撞後生成的新粒子,探測範圍可從2.4GeV直到48GeV。這是當時能量最高的電子對撞機。

1974年初,裏克特小組發現在3.2GeV處截麵比反常,比鄰近約高30%,當時並未引起注意。同年10月,又發現在31GeV處有一反常。後來還陸續有高出3~5倍的截麵。這促使他們下決心把機器調回到31GeV附近進行精確測量,11月9日終於取得了在31GeV處存在狹共振的確切證據,並命名為ψ粒子。接著,又在3.7GeV處發現了ψ粒子的姐妹態,ψ'粒子。

裏克特1931年3月22日出生於紐約。1948年進入麻省理工學院,大三時曾參加正電子素實驗,開始接觸到電子-正電子係統。大學的畢業論文題為“氫的二次塞曼效應”,成績優異。研究生期間,裏克特測量了水銀同位素位移及其超精細結構。他在工作中要用到回旋加速器,讓短壽命的Hg197同位素和氚核束轟擊金。因此更加激發了對核物理和粒子物理以及所使用的加速器的興趣。他的博士論文題目是“由氫光生π介子”。然後他在斯坦福高能物理實驗室找到工作。他在這裏和同事們合作,建造了一台碰撞束機器,並於1965年開始實驗,結果使量子電動力學的適用性延展至小於10-11cm。

在這之前,裏克特就在考慮高能電子-正電子碰撞束機器能用來做些什麼。他特別想研究強相互作用粒子的結構。1963年裏克特來到SLAC,在SLAC主任潘諾夫斯基的鼓勵下,裏克特組織了一個小組製定高能電子-正電子機器的最後設計。1964年完成了初步設計,1965年向美國原子能委員會提交了一份經費申請報告,當然這隻是申請經費的漫長過程的第一步,以後還為之作過多次奮鬥,直到1970年才得到經費。在這期間,他和小組成員又做了其他實驗,設計並製造了大型磁譜儀的整套裝置的一部分,並利用它進行了一係列π介子和K介子的光生實驗。裏克特為了以後製作存儲環作準備,下了很大力氣以求保住已經成立的小組。有了經費之後,工程立即上馬,著手製作大型磁探測器。1973年開始做實驗,終於得到了滿意的成果。

如果說裏克特和他的小組是以他們的執著追求精神取得了引人注目的成績,那麼,丁肇中和他的小組更是以其嚴謹踏實、一絲不苟的作風得到了科學上的回報。

丁肇中是華裔美籍科學家,1936年1月27日出生於美國密執安州安亞柏市,父親丁觀海是工程學教授,母親王雋英是心理學教授,他們在訪美期間,生下了丁肇中,於是丁肇中從小就成了美國公民。出生後兩個月,與母親一起回到中國。由於戰爭的原因,直到12歲才受到傳統的教育。1956年丁肇中得到獎學金入美國密執安大學,3年後獲得了數學和物理學位,1962年獲得物理博士學位。關於丁肇中的經曆,請讀他的自述:“當我20歲時,我決定到美國去接受較好的教育,我父母的朋友、密執安大學工程學院的院長G.G.布朗,告訴我父母他很歡迎我去那兒,並到他家住宿。當時我隻懂一點兒英語,而且對在美國的生活費用毫不了解,在中國,我通過看書了解到美國許多學生是通過自己勞動掙錢進入大學的,於是,我對父母說我也要這麼做。1956年9月6日,我到達了美國底特律機場,身邊帶了100美元,當時好像已很富裕了。我感到有些害怕,因我不認識任何人,而且通信也很困難。”