向物理实验家发脾气的理论家——粲夸克的提出与发现

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对于学物理竞赛的同学来说,成为物理学家是心中最大的梦想,世界上有名的物理学家一定是他们的榜样,今天给大家介绍的是一位向实验家发脾气的一位理论家。

格拉肖(SheldonLee Glashow)是世界著名的理论物理学家,美国科学院院士,他的主要研究领域是基本粒子和量子场论。20世纪60年代初,格拉肖在规范场理论的基础上讨论弱相互作用和电磁相互作用统一的问题,预言了中性弱流的存在。1975年,他和合作者一起在电弱统一理论和量子色动力学的基础上,提出了把弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来的大统一理论,在基本粒子和场论的理论研究以及宇宙学的研究中都有较大影响。由于这些成就,他与温伯格、萨拉姆共同获得了1979年诺贝尔物理学奖。

向物理实验家发脾气的理论家——粲夸克的提出与发现
格拉肖

格拉肖在1991年出版的《 The Charm of Physics 》中对“粲夸克的提出与发现”有一段非常精彩的描述:

科学通常是以下列方式向前发展的:首先,一个令人惊奇的效应在实验室里被观察到;接着,为了解释这个新现象,现有的理论框架必须加以拓宽或者改进。正是由于观察到了天王星运动的异常,才导致了一个海王星存在的预言。当伽伐尼( Galvani )把一口小刀接触到青蛙的腿部时,他发现青蛙的腿在抽搐,这因而导致了对电流的一个认识以及第一个伏打电堆的制造。X射线、放射性和奇异粒子的意外发现,也同样适合于这种科学发展的模式。

然而,也存在很少的一些情况,其中理论的提出超前于实验的发现,这时以上科学发展的模式被颠倒过来。门捷列夫在提出元素周期表时,发现其中有几个空缺,他认识到这些空缺应对应着一些当时尚没有被发现的元素.他还推测出它们的化学性质和物理性质。几年以后,他所预言的元素在自然界中找到了,并分别以发现它们的国度而命名为钪、镓和锗。门捷列夫被誉为是一个坚持自己信念的伟大的科学家。

门捷列夫元素周期表

向物理实验家发脾气的理论家——粲夸克的提出与发现

1961年,盖尔曼( Murray Gel l- Mann )和尼曼( Yuat Ne’eman )提出了一个基本粒子的分类方案,它很象是一个基本粒子的周期表。在这个所谓的“八重法”之中,基本粒子被编进了简单的几何图案里:六边形和三角形。在其中的一个图案里,再一次出现了一个空缺,它对应着一个尚未被发现的粒子。许多物理学家并不是很认真地对待这个新奇的理论。但是,布鲁克海文实验室却于1964年发现了盖尔曼所预言的粒子——Ω粒子。这个粒子的发现,使那些“异教徒”转而把八重法视为一个科学的信条。

正如根据原子结构的量子理论,元素周期丧被得到成功地解释的那样,根据夸克理论,八重法的成功现在也被理解。盖尔曼本人于1963年发明了夸克这个概念,茨维格( George Zweig )也独立地发明它,他自那以后成了一个神经生物学家,但直到10年之后这个概念才被普遍地接受。

盖尔曼假定存在着三种夸克,它们是所有亚核粒子的组成成分。中子和质子构成了原子核,但它们却又是由“上夸克”和“下夸克”所构成的:质子包含有两个上夸克和一个下夸克;中子包含有一个上夸克和两个下夸克。还存在着由三个上夸克或者三个下夸克所构成的亚核粒子,只不过它们的寿命很短而已。

第三种夸克是构成奇异粒子所必须的成分,被称为“奇异夸克”。例如,Λ超子包含有一个奇异夸克、一个上夸克和一个下夸克,Σ超子包含有两个奇异夸克和一个下夸克;著名的Ω粒子则是由三个奇异夸克组成的。

夸克理论的基本定律告诉我们,可以不一定用三个夸克构成一个亚核粒子,在亚核粒子中,另一族粒子是介子,它们均由一个夸克和一个反夸克所构成。许多种亚核物理学都是基于这样一个事实:可以被利用的夸克只有三种。

在夸克被提出后不久、也就是在1964年,布约肯( James Bjorken )和我认为,应该存在着第四种夸克,我们称它为“ charm quark ”——粲夸克。10年以后,第一个包含有粲夸克的粒子才在实验室里被产生且被观察到。

我们的推测仍然是根据一个“周期表”,不过不是根据元素周期表,也不是根据亚核粒子的周期表,而是根据夸克和轻子的一个周期表。

有些基本粒子并不是由夸克构成的。电子就是首个被发现的这样的粒子,它不是由夸克构成的。各种中微子也是这样的粒子。这些粒子统称为轻子。物质的基本构成成分被认为是夸克和轻子。

到1964年为止,已经知道有四类轻子,按与之相联系的弱力来划分,可以把它们分成两对:电子和电子中微子;μ子和μ子中微子(μ子是电子的极肥胖而又不稳定的远亲,其质量大约是电子的二百多倍)。然而,那时只知道有三种夸克。下夸克与上夸克为伴,奇异夸克(比下夸克稍重)似乎是孤独的,无伴侣。这样,夸克和轻子之间就不完全相似了。正如在门捷列夫的周期表中和在盖尔曼的图案里一样,夸克家族中一定有某个成员显然被遗漏掉了。上夸克一定有一个富有的远亲,这样就可以组成两对轻子和两对夸克。那个遗漏的夸克由我们提了出来,并被命名为“粲夸克”。(近来夸克和轻子的队伍又壮大了,似乎各自存在着三对夫妇。)

直到1970年,仍然没有丝毫的实验证据来支持粲夸克的存在。但是,我的同事伊利普洛斯( John Iliopoulos )、达安尼( Luciano Maiani )和我本人却热衷于这个迷人的猜想。我们找到了有说服力的但不是直接的证据表明,粲夸克必然存在。没有粲夸克的理论是非常不对称的,它会预言自然界中的某些不对称,而它们是根本不存在的。粲夸克恢复了这种对称,因而克服了与实验的分歧。

到了1974年4月,我为实验家们寻找粲夸克行动的失败而感到十分苦恼,我坚信一定存在着粲夸克。在波士顿召开的一次介子谱会议上,我预言粲夸克即将被发现。我打赌说,如果在下次会议上粲夸克还没有被发现,我就吞食掉我的帽子。那年11月,一个新粒子被同时宣布发现了。发现者是来自布鲁克海文和加利福里亚 SPEAR 对撞机旁的人。SPEAR 是个大型的电子一正电子对撞机,它的对撞束由 Frascati 注入。实际上,在 Frascati 旁的科学家们本应该在新粒子发现之前就应该证实到它的存在。

在发现者当中,位于东海岸的小组把新粒子取名为J粒子,而位于西海岸的小组则命名它为ψ粒子。于是,这个粒子就自一个双重名字J/ψ。两个小组的领导者分别是里克特( BurtonRichter )和丁肇中( Samuel C. C. Ting ),他们因此而分享了1976年的诺贝尔物理学奖金。

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里克特

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丁肇中

在J/ψ粒子发现以后不久,对于该粒子是什么的这个问题。存在着许多不同的看法。我和我的同事们认为,它是由一个粲夸克和这个粲夸克的反夸克所构成的。如果这种说法正确,那么就应该存在着其他的包含有一个粲夸克的新粒子。它们到底在什么地方呢?

布鲁克海文的萨莫斯( NickSamios )是一个小组的头,正是该小组于1964年发现了第一个Ω粒子。1975年初,萨莫斯的小组报告,已观察到含有一个粲夸克的粒子,它是由一个上夸克、一个下夸克和一个粲夸克所构成的。不过,萨莫斯只能找到这个粒子产生的一个事例,不足以说服物理学界的同仁们相信粲夸克的存在。

1976年春,工作在 SPEAR 上的一群物理学家发表了一篇论文。他们说他们未能找到含粲夸克的粒子存在的任何迹象。到此时此刻,我真的生气了,并在威斯康星召开的一次会议上大发脾气:实验家们,请回到你们的实验室,去找到那个粒子,因为它必然是存在的。我发的这顿脾气果真有了效果,那次会议的两周以后,我的朋友戈德哈伯( Gerson Goldhaber )从加利福尼亚打电活告诉我,他的小组在 SPEAR 上终于发现了难以捕捉的、含粲夸克的介子。不久,他们又指出了它的特性,正如我们以前所预言的那样。

从1964年粲夸克概念的诞生,到1976年粲夸克成为一个事实,期间历经了一个很久的等待。对于亲身参加这场历险,我是多么兴奋和快乐啊!不用说,在1976年再次召开的介子谱会议上,我不用吞食我的帽子。相反,会议的组织者用糖果制成帽子分发给每位与会者,正是他们吃掉了他们的“帽子”。

(《The Charm of Physics》中的这段译文来自现代物理知识第8卷第2期)

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2005年11月11日,格拉肖教授到高能所访问,参观了粒子天体物理中心、北京谱仪III、同步辐射室和直线加速器,并做了题为“ Comments about Particle Physics in China ”的精彩报告。

来源:中国科学院高能物理研究所

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