1959 年诺贝尔物理学奖——反质子的发现

 

 

1959 年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州伯克利加州大学的西格雷（Emilio Gino Segrè，1905—1989）和张伯伦（Owen Chamberlain，1920—2006），以表彰他们发现了反质子。

反质子的发现

1955 年西格雷和张伯伦发现反质子标志着人类对反世界的认识又上了一个新的台阶，这是狄拉克理论的一个胜利，也是人工加速带电粒子的努力所取得的又一项重大成果。

自 1951 年能够产生介子的同步稳相加速器开始在芝加哥运转以后，那里的科学家就集中力量寻找各种基本粒子存在的证据。费米发现正 π 介子与质子的碰撞截面显示出非常高的极大值。在这以后，人们在这一能区陆续发现了数百种新粒子。

这时在伯克利辐射实验室，以劳伦斯为首的核物理学家们正在努力建造一种能量更高，规模更大的加速器——质子同步稳相加速器。他们的目标指向新的核子。根据狄拉克理论，电子的反粒子早已于 1932 年被发现，这就是正电子。人们一直在期望能发现反质子和反中子。只要简单地把狄拉克理论应用到质子，就可以预见到反质子的特性，其质量和质子相等，电量和磁矩相等而反号，但是，斯特恩却发现质子的磁矩和狄拉克理论的推算竟完全不同，这清楚地表明了，不能作简单的类比。从宇宙射线的观察虽然对此能有所启示，例如 1947 年海瓦德（E.Hayward）就曾报道过观察到类似的事例，却不能作出明确的结论。

1955 年伯克利的质子同步稳相加速器的能量达到了 6 GeV，相当于在质量中心可达 2 GeV。这是要产生质子-反质子对所需的最小能量。人们正是按这要求设计这台大型加速器的。

张伯伦-西格雷小组用这台设备把质子加速到 6.2 GeV，打到铜靶上，如果一切正常，应该能从出射束中检测到反质子。但是出射束是质子、中子和各种介子的混杂物。要从这堆亚原子的混杂物中检测出反质子却不是一件容易的事。它带负电，用磁场就可以从其在磁场中的偏转检验出来。但要确定其质量，却必须对它同时测量两个独立的量：动量和能量（或速度和射程）。这一测量是用磁装置和在 10 m 多远处安装的切伦科夫计数器进行的。从照相乳胶所得的爆炸性核蜕变“星形”径迹记录，可以判断是反质子轰击原子核的事件，从而证明了反质子的存在。

图 59 – 1 显示核乳胶中反质子的湮没。一个反质子（p⁻）停下来，与另一个原子核中的核子一起湮没。π 介子和其他粒子正从碰撞点离开而去。可看到的粒子能量大于静止状态下的反质子的能量。这表明还有一个粒子在湮没。

张伯伦和西格雷的成功标志在于：他们能从包含有许多其他粒子的射束中鉴别出非常非常稀少的反质子。用磁场分析射束，3 万个粒子中仅有一个是反质子，而用早期的装置每 15 分钟才能记录到一个反质子。当他们记录到 40 个事件在误差范围内显示有反质子之后，他们才肯定确实是发现了反质子。

次年，考克（B.Cork）等人也用计数器方法显示了反中子的存在。他们是用反质子轰击质子，在湮没过程中产生了中子和反中子。1958年又有人用 π 介子束使核乳胶记录到反 Λ 粒子。伯克利的阿尔瓦雷斯（L.W.Alvarez）用氢泡室发现了反 ∑ 粒子。

这些新发现令人们相信，反物质是存在的，甚至还可能存在一个反世界。

粒子和反粒子之间的对称性，成了物理学的一个新真理。对每个粒子都有其质量相同，电荷相反，奇异数相等也相反，自旋相等，磁矩大小相等方向相反的反粒子。简言之，所有的性质或是相同或是相反。人们相信，如果用反质子和反中子代替原子核中的质子和中子的话，就得到一个反原子核。如果再配以反电子即正电子，就可形成反原子。再用反原子组成反分子，甚至可以构成反物质，在宇宙里存在反物质区。这一切仍然是一个神秘的未知世界。

获奖者简介

西格雷  1905 年 2 月 1 日出生于意大利罗马的蒂沃利（Tivoli），父亲是工业家。他 1922 年进罗马大学学工程，1927 年转物理系，当了费米教授的研究生，1928 年从费米手里第一个获得博士学位。

他短期在军队中服务后，到罗马大学担任助教。1930 年获基金资助到德国汉堡在斯特恩处和荷兰阿姆斯特丹塞曼处做研究工作。回到罗马后，和费米一起研究中子的人工放射性。1938 年到美国加利福尼亚州伯克利，在加州大学辐射实验室当助理研究员。

西格雷的工作主要是在原子和核物理学方面。他早期研究原子光谱学，对禁戒谱线光谱学和塞曼效应作出过贡献。1940 年，西格雷和佩利尔（C.Perrier）等人合作，发现了人工合成的新元素：锝、砹和钚 239。西格雷 1989 年 4 月 22 日逝世于拉费特。

张伯伦  1920 年 7 月 10 日出生于美国加利福尼亚州的旧金山。他父亲是一位著名的放射学家，对物理学也很有兴趣。张伯伦在 1941 年从达特默斯（Dartmouth）学院毕业，进入伯克利加州大学当物理系研究生。由于第二次世界大战爆发，他停止了学业加入美国研制原子弹的机构曼哈顿工程。在那里他在西格雷教授的指导下，一起研究核截面和重元素的自发裂变。后来他和西格雷一起转到新墨西哥的洛斯阿拉莫斯。1946 年张伯伦在芝加哥大学费米教授的指导下工作。他和费米一起进行慢中子在液体中的衍射实验。1949 年完成了博士论文。

1948 年，张伯伦开始在伯克利加州大学任教，1958 年升教授。他和西格雷等人合作做了质子-质子散射实验和极化效应的研究。1955 年后，张伯伦参加设计了一系列实验以研究反质子与氢和氘的相互作用、从反质子产生反中子，以及 π 介子散射等问题。1963—1964 年，他和阿布拉冈（A.Abragam）各自独立地制成含有极化质子的靶，这种靶子可用于高能核反应。张伯伦 2006 年 2 月 28 日逝世于伦敦。

官网链接，西格雷论文链接，张伯伦论文链接。

发布时间：2023/9/23 上午10:36:06  阅读次数：2413