1976 年诺贝尔物理学奖—— J/ψ 粒子的发现

 
里克特
里克特像
丁肇中
丁肇中像
 

1976 年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福直线加速器中心的里克特(Burton Richter,1931— )和美国马萨诸塞州坎伯利基麻省理工学院的丁肇中(Samuel C.C.Ting,1936— ),以表彰他们在发现一种新型的重的基本粒子中所作的先驱性工作。

J/Ψ 粒子的发现

粒子物理学的发端可以从 1932 年正电子的发现说起,到了 20 世纪 50 年代,陆续发现了反质子、π 介子、反 Λ 粒子等三十多种新粒子,其中稳定的有七种。寿命大多长于 10−16 秒。后来又发现了许多寿命更短的粒子,这些粒子也叫做强子共振态,是通过强相互作用衰变的。盖尔曼的夸克模型理论,解释了这些强子共振态,其预言的 Ω 粒子又被实验证实。这时粒子物理学似乎已经达到了顶峰,没有什么事情可做了。然而,正是在这一短暂的沉静时期,1974 年同时有两个实验小组,宣布发现了一种寿命特别长,质量特别大的粒子。

这项发现的宣布,打破了沉闷的空气,使物理学家大为惊讶,推动粒子物理学迈向新的台阶。这项新的发现就是由里克特领导的 SLAC-LBL 合作组所发现的 ψ 粒子和由丁肇中领导的 MIT 小组所发现的 J 粒子。人们统称之为 J/ψ 粒子。

SLAC 是斯坦福直线加速器中心的简称,LBL 是劳伦斯伯克利实验室的简称。两家共同组成一个合作组,为 SLAC 正负电子对撞机(SPEAR)配制了一台取名为 Mark Ⅰ 的大型磁探测器,目的是探测 4 GeV 的正负电子束对撞后生成的新粒子,探测范围可从 2.4 ~ 4.8 GeV。这是当时能量最高的电子对撞机。

图 76 – 1 里克特和他的小组在一起讨论

里克特从一开始就在考虑如何运用高能电子-正电子碰撞束机器研究强相互作用粒子的结构。1963 年里克特来到 SLAC,在 SLAC 主任潘诺夫斯基的鼓励下,里克特组织了一个小组制定高能电子-正电子机器的最后设计。1964 年完成了初步设计,1965 年向美国原子能委员会提交了一份经费申请报告,直到 1970 年才得到经费。在这期间,他和小组成员设计并制造了大型磁探测器的配套设备,并利用其进行了一系列 π 介子和 K 介子的光生实验。大型磁探测器完工后,1973 年开始做实验,1974 年初,里克特小组发现在 3.2 GeV 处截面比反常,比邻近约高 30 %,当时并未引起注意。同年 10 月,又发现在 3.1 GeV 处有一反常。后来还陆续有高出 3 ~ 5 倍的截面。这促使他们下决心把机器调回到 3.1 GeV 附近进行精确测量,11 月 9 日终于取得了在 3.1 GeV 处存在狭共振的确切证据,并命名为 ψ 粒子。接着,又在 3.7 GeV 处发现了亚粒子的姐妹态,ψʹ 粒子。

丁肇中是在美国国立布鲁克海文实验室发现 J 粒子的。这个实验室用质子同步加速器使质子加速,再用加速后的质子作为炮弹去轰击金属铍,产生新的粒子,然后测定新粒子衰变产物的有效质量,从而证明新粒子的存在。

丁肇中十分重视精密测量。当时人们普遍认为,在高能物理实验中要有新的发现,必须有足够高的能量,现有的范围都已经考察过了,没有可能找到新的粒子。而丁肇中则认为要找到新的粒子,现有实验所具有的能量已经足够了,关键可能在于探测器的灵敏度不够而影响人们作出新的发现。于是丁肇中把注意力集中在提高探测仪的灵敏度上,他和他的小组致力于设计质量分辨能力极高的探测器。事实上,在丁肇中发现 J 粒子以前,1966 年美国坎伯利基电子加速器已经进行过一项由光子同核靶碰撞产生电子、正电子对的实验,所得结果似乎有点违反量子电动力学,这实际上已经显示了与 J 粒子有关的迹象,但是由于仪器的精密度不高,无法确定这是不是由新粒子造成的。丁肇中仔细研究了这个实验,决心重做一次。他立即和主持西德电子同步加速器的韦伯教授等人商量是否可在汉堡进行正负电子对产生的实验。韦伯鼓励他马上开始实验,于是丁肇中在 1966 年 3 月离开哥伦比亚大学到汉堡去进行这个实验。自那时起,他以全部精力投入到电子对及 μ 介子对物理、研究量子动力学和类光粒子的产生和衰变、寻找能衰变成电子对或 μ 介子对的新粒子。这类实验的特点是需要高强度入射通量,需要绝对排除大量不需要的背景条件,同时又需要质量分辨率高的探测器。

1972 年丁肇中为了寻找较大质量的新粒子,带了实验小组回到美国,在布鲁克海文国立实验室进行实验。在他的周密组织下,终于在 1974 年秋发现了一种新的、完全出乎意料的重粒子—— J 粒子的证据。丁肇中小组在这两年多的时间里制造出一台分辨率极高的大型质谱仪,称之为双臂质谱仪。高能反应产生的粒子,进入长达 21 m 的质谱仪双臂中的仪器,就可以进行精密的探测。丁肇中的双臂质谱仪克服了一般探测仪器本身引起的误差,大大提高了实验的精确度。

为了避免主观因素引起的误差,丁肇中在实验室建立了一套严格的规章制度,规定小组里的物理学家要每天值班,甚至当加速器关机维修时也要留人跟班,谨防错过实验中可能出现的有价值的观测机会。同时,建立了实验仪器的严格检测制度。在准备实验中,设备的每一个零件都进行严格的筛选和精密的检测。此外,丁肇中要求小组成员严格遵守数据处理规则,慎重对待实验中的每一个环节,每一个数据,力求使实验做得更细更精。丁肇中小组的成员们面对的是极其单调的测量工作,整个实验室大约有半年光景一直专门只做这个实验,而实验观测到的事件率只不过是每天一个事件,也就是说,平均一天只有一次有价值的数据。但是丁肇中严格要求大家,绝对不能马虎。每天一个事件的事件率还意味着,往往两三天没有事件,而在另外的日子里又可能得到两三个事件。正是在这个实验的过程中,他们形成了每 30 分钟把全部电压检查一遍和每 24 小时校准一次谱仪的传统。为了确保探测器工作稳定,他们建立了跟班的惯例,甚至当加速器关机维修时也跟班,并且他们还从不切断电源。就这样丁肇中小组形成了一套与众不同的传统作风。

1974 年初夏,丁肇中小组在 4 ~ 5 GeV 的大质量区域里测定了一些数据。对这些数据所做的分析表明,只存在极少的电子-正电子对。8 月底,他们调整了磁铁使之能接受 2.5 ~ 4 GeV 的有效质量。他们立即看到了干净的、真正的电子对。经过严格认真的反复测量,奇迹终于出现了。大部分正负电子对在 3.1 GeV 处形成一个狭峰。更详细的分析表明,它的宽度小于 5 MeV。

图 76 – 2 20 世纪 70 年代丁肇中和他的小组正在展示所得结果

经过多方核对后,丁肇中小组确认发现了一个质量极大的新粒子,并且为这个新粒子取名为 J 粒子。后来得知,美国加利福尼亚州斯坦福直线加速器中心的里克特小组也发现了这一粒子。他们的实验各有特点。里克特小组是让正负电子对湮没以形成矢量介子,是一种形成实验,而丁肇中小组是利用质子束轰击铍靶,产生矢量介子,然后测量矢量介子的衰变产物,则是一种产生实验。里克特小组和丁肇中小组用不同的设备、经不同的反应过程并且几乎同时地发现了同一粒子,使物理学界大为惊喜。他们的发现把高能物理学带到了新的境界,因此,两年后里克特和丁肇中就一起获得了诺贝尔物理学奖。

J/ψ 粒子的发现大大加深了人们对物质结构的认识。众所周知,各种物质都是由原子组成的,而原子又是由电子和原子核组成,原子核则是由中子和质子之类的基本粒子组成。然而基本粒子并不基本,它们又都是由更为基本的“积木块”堆积而成的,组成基本粒子的这种“积木块”就叫做“夸克”。夸克是我们目前所认识到的物质的最小单位。20 世纪 60 年代,物理学家认为只存在三种夸克,即上夸克、下夸克和奇异夸克,并由此建立了一整套基本粒子理论。但是 J/ψ 粒子的发现推翻了这种看法,促使人们认识到,夸克不止以上三种,还有第四种夸克,这就打开了通向基本粒子新家族的道路,为建立新的更完善的理论提供了实验基础,而且 J/ψ 粒子的发现还可能在自然界的四种基本作用力之间,建立起统一的联系,而基本自然力的大统一正是自爱因斯坦以来,许多科学家一直追求的目标。可见,J/ψ 粒子的发现对粒子物理学来说是一个重要的转折点。

获奖者简历

里克特  1931 年 3 月 22 日生于纽约,1948 年进入麻省理工学院,大学三年级时曾参加正电子素实验,开始接触到电子-正电子系统。大学的毕业论文题目为《氢的二次塞曼效应》,成绩优异。研究生期间,里克特测量了水银同位素位移及其超精细结构。他在工作中要用到回旋加速器,让短寿命的 197Hg 同位素和氚核束轰击金,因此更加激发了对核物理和粒子物理以及所使用的加速器的兴趣。他的博士论文题目是《由氢光生 π 介子》。然后他在斯坦福高能物理实验室找到工作。他在这里和同事们合作,建造了一台碰撞束机器,并于 1965 年开始实验,结果使量子电动力学的适用性延展至 10−11 cm 以下。运用高能电子-正电子碰撞束机器研究强相互作用粒子的结构,一直是里克特追求的目标。

丁肇中  华裔美籍科学家,1936 年 1 月 27 日生于美国密执安州安亚柏市。父亲丁观海是工程学教授,母亲王隽英是心理学教授,他们在访美期间,生下了丁肇中,于是丁肇中从小是美国公民,出生后两个月,与母亲一起回到中国。由于战争的原因,直到 12 岁才受到传统的教育。1956 年丁肇中获得奖学金入美国密执安大学,3 年后获得了数学和物理学士学位,1962 年获得物理博士学位。

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发布时间:2023/11/15 下午7:32:12  阅读次数:1292

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