18、丁肇中发现J粒子！物理学家的11月革命在线免费阅读

上期咱们简要的介绍了一下盖尔曼根据强相互作用的特点给出的夸克模型。人家不是蒙的，这背后是有SU（3）对称性的支持，而且还真能揭示出某些自然的规律，唯独可惜的是啊，这构成强子的夸克，由于夸克禁闭的原因，就是不从这强子里出来，因此这夸克理论也是蒙上了一层神秘色彩。但其实还是有人相信这个夸克理论的，就比如说美国的物理学家格拉肖，他在盖尔曼提出这个夸克理论之后不久，就说这个夸克模型不错啊，但是我感觉啊夸克应该不只有三种，应该还有第四种，这格拉肖还给起了个名叫做粲夸克（charm)有魅力的,所以也有翻译成魅夸克的，他为啥要预言着第四种夸克呢？一个原因是格拉肖当时是在研究弱相互作用，咱们现在说的这都是强力的内容啊，之后还会聊到这位格拉肖，他发现啊，通过加入这第四个夸克可以更好的描述这个弱力，也就是衰变的机制啊，还有一点咱们之前说过轻子一共有六种，但是当时就发现了四种啊，所以感觉这轻子和夸克那同为基本粒子，那应该也有某种对称的性质，所以这夸克有可能是四个啊，你可见这个对称性对人们的影响多大？不过这三夸克理论还没被人们接受呢，你这第四种夸克自然人们就更不相信了。

接下来的故事就轮到丁肇中先生出场了，丁肇中先生出生在美国密歇根州的安娜堡啊，他的祖籍是山东日照。但是他父母年轻的时候在美国留学，然后正好赶上这个母亲怀孕了他父母本来的想法是想把孩子生在中国，然后呢没想到早产了，结果这丁肇中就算是意外获得了美国的国籍。后来丁肇中刚满两个月的时候啊，母亲就领着他回国了，父亲丁冠海先生啊在山东大学任教。这母子二人就留在日照老家，一年之后，也就是1937年鬼子就进了中原，于是就举家逃到了南京。是这期间就有了丁肇中的弟弟丁肇华啊，很快这南京也待不下去了，日本人又开始轰炸南京，所以又爬山涉水，继续南下，这就来到了重庆啊，呃，这期间又有了丁肇中的妹妹就叫做丁肇民啊，不过由于当时这生活太苦了啊，所以妹妹小的时候就夭折了。到了1948年，这12岁的丁朝忠举家前往台湾，所以在这之前丁先生没有受过学校的教育啊，好在人父母是高材生啊，所以接受的一直是父母的教育。1949年考入台北市成功中学，到了1955年高中毕业又考入了台湾省立工学院，但当时学习的是机械工程，逐渐发现自己对物理产生了兴趣。所以在大二就转学了，靠着这个父母之前的关系丁肇中就转到了美国密歇根大学的物理系，从此就走上了物理的道路。三年时间，拿到了物理、数学双学位，之后一路攻读硕士、博士，1962年就获得了博士学位，在读博期间，丁肇中一直想做一个理论物理学家，所以他就去拜访了当时这个密西根大学的一位大佬级人物叫乌伦贝克。这位是从量子年代走过来的人啊，是当年乌伦贝克和古德施密特两个人共同提出了电子自旋的概念啊，这就是自旋的提出者之一，那当时这老爷子已经六十多岁了，丁肇中就过去问他说老教授啊，我想当一名理论物理学家，您觉得行吗？这乌伦贝克也很实在啊，直接就说了，说虽然大家都很重视理论啊，不过你看做理论呢，这100个里边儿能出来一个就不错了，而实验就不一样了，你发现所有的未知现象都有可能对科学做出重大贡献，正是这句话，丁肇中就走上了实验物理的道路。博士毕业之后，丁肇中决定继续深造，于是就去了CERN，咱们上期介绍过啊，欧洲核子研究中心，在CERN工作了一年之后，1964年来到了哥伦比亚大学担任讲师。哥伦比亚大学就是李政道、吴建雄待过的地方啊，在这期间丁肇中第一次证明了自己的实力，就是说这个当时有一些人通过做这个光子产生电子对的实验啊，但是这个实验数据和量子电动力学QED的理论数据相差特别大。这其中包括很多知名的地方，比如说这个康奈尔大学，哈佛大学还有MIT，他们都得到实验和理论不相符的结果，所以很多人就开始怀疑这个QED的正确性。

丁肇中就说不应该呀，心说QED用了这么多年也没发现错误，能不能是他们的实验存在误差呢？结果他就重新做了一遍，果不其然，其他人都错了啊，因此丁肇中维护了QED的正确性，这是第一次崭露头角。由于具体的这个实验内容和咱们接下来要说的这个有关，那咱们就简单来讲一下是咋回事儿。丁先生，当时实际上他在做一系列实验，它的主要目的是研究一个叫做“重光子”的东西，你可能要问说光子本身没有静质量，怎么还有轻重之分，实际上重光子不是光子，而是一种介子，它的全名叫做矢量介子，这东西和光子的性质很像啊，为啥说像呢？我们知道正负电子对是可以相互湮灭的，然后产生光子，但是这个过程只要提高正负电子对的能量产物就有可能变成这个矢量介子，反过来也行，就光子在和其它物质发生作用的时候有可能产生正负电子对，但是这个正负电子对是怎么来的？实际上就光子先变成了矢量介子，然后这矢量介子衰变成了正负电子对。这些矢量介子有质量，但除此之外与光子有一样的自旋、宇称值等等。所以才被叫做重光子，丁先生具体做的实验是用这个光子轰击金属铍当核靶，你们说这不是和之前这个光电效应和康普顿散射的实验差不多吗？对啊，但是之前的实验只是为了把这个电子打出来。但这个实验的目的是为了轰击原子核啊，因此就需要使用高能光子，至少使用6GEV电子伏特的加速器来代替这个普通的光源，这样光子的波长就比这个原子核还要小。才能保证轰击到原子核，一旦高能光子打到原子核就有可能产矢量介子，然后这个矢量介子在衰变成正负电子对。正是这个矢量介子的出现，当时人们才怀疑QED的正确性，丁肇中早期的实验贡献就在于此，它不仅通过实验证明了电子没有固定的半径，能量越高，你测得的半径就越小啊。而且还让人们知道了三种矢量介子，分别是ρ、ω、和φ，他们三个的质量都在1GeV左右。

到了1967年，丁肇中在实验物理当中的地位已经是相当高了，所以很多知名的大学纷纷向他发出邀请，希望他可以过去当教授。最后丁肇中决定去MIT麻省理工学院，因为那儿许诺给他可以给他一个独立的实验室啊，然后再领一个实验小组，你想做啥做啥。所以丁肇中的想法就是继续完成自己的实验，这些矢量介子能就三个吗？会不会是因为这能量不够啊？还有别的矢量介子存在呢？于是他就开始寻求各种大型实验室的合作啊。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30G电子伏特能量的这个质子去轰击原子核。丁肇中相信啊，在这个过程当中一定会有高能正负电子对出现，这样就有可能产生其他的矢量介子，就是重光子。不过这个实验啊，你不仅产生矢量介子，还有很多高能的放射性物质啊，所以实验也很危险啊，丁肇中的实验小组使用了5吨u238、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。然后用了1万吨钢筋水泥来抵挡这个质子、π介子这些比较大的粒子。还有一个粒子需要挡住，就是中子，中子的穿透性也是很强的，但是可是你这东西怎么挡呢？咱们之前说过啊，富含氢的物质可以让这个中子减速，所以最好的就是液态氢啊。不过液态氢易燃易爆，这不好，那当年造原子弹的时候使用的是重水，但是你也不能把实验室放到水里呀，不现实。最后就想出了一个办法啊，用了5吨肥皂，这肥皂里边儿就富含氢啊，不过即便是如此的这实验也是相当的危险。1971年~1973年都没有什么进展，主要原因就是矢量介子出现的概率太低了，100亿个粒子才有可能出现一个矢量介子。不过功夫不负有心人，终于到了1974年11月11号这一天啊，丁肇中实验小组对外宣布在3GeV的地方发现了一个新粒子。有趣的是，当天丁肇中去SLAC溜达，其实他就是想看看他们实验室最近在做啥呢，搞实验的都很好奇呀，尤其是自自己刚发现一个新粒子，去小小的炫耀一下。当时这个SLAC做实验的人叫做里克特，丁肇中就过去问他啊，说老铁，我有个好事儿啊，你想知道不？那里克特说是吗？说我也有个好事儿啊，你先说，结果这俩人把自己的实验报告拿出来一看，两个人都发现了一种新粒子，再仔细一看，这两个粒子质量都是质子的三倍左右，寿命都是10的负20次方秒，哎，唯独不同的是丁肇中管他叫J粒子，里克特管他叫Ψ。就是波函数的Ψ，俩人就哈哈大笑起来，就是这么巧，他俩几乎在同时发现了同一种新粒子，两个人使用的方法还不一样啊。丁肇中使用的是质子轰击原子核产生新粒子，然后衰变成这个正负电子对，再通过这个正负电子对去寻找新粒子，里克特使用的办法更加直接，他是直接反过来了，用这个正负电子对对撞，这样产生这个新粒子。就这样啊，这个J/Ψ粒子就被发现了。1976年丁肇中和里克特因为发现了J/Ψ粒子，共同获得了这一年的诺贝尔物理学奖。J/Ψ粒子它和夸克有什么关系呢？你会发现啊，这之后众多的粒子都没有获得诺奖，为啥这个J/Ψ粒子它能得奖呢？就是因为J/Ψ粒子用当时任何一种模型都放不进去，解释不了，你比如说盖尔曼的三夸克模型，根据他的理论，强子是由夸克或者是反夸克组成的。不过通过这三种夸克的正反组合，就不管你怎么组合都得不到这个J/Ψ粒子，而且J/Ψ粒子的质量是质子的三倍左右。你这么大的质量啊，寿命应该很短才对呀，结果呢它的寿命是10的负20次方秒左右吧，比其他质量差不多的粒子要高出三个数量级，就是1000倍左右，这也是当时无法解释的。这个时候人们忽然想到了格拉肖当年预言了第四种夸克粲夸克啊。这正反粲夸克组成的正是这个J/Ψ粒子。因此J粒子也是一种介子，只有加入这个粲夸克才能解释这个这个粒子的性质。所以J粒子的发现实际上是人们发现了第四种夸克，从这儿之后这人们才愿意相信夸克理论是正确的，并且正式把粲夸克引入到了标准模型。所以丁肇中的发现啊才被称作是物理学上的11月革命。到了1977年，美国物理学家莱德曼又发现了Y粒子啊，证明了第五种夸克底夸克的存在，bottom用字母b来表示，这底夸克的质量就是质子的十倍之多。后来物理学家就推测说应该还存在一个与底夸克相对应的顶夸克Top，用t来表示，这样六个夸克就齐了。那轻子也刚好六个，就很符合这个对称性。不过对于顶夸克寻找的故事啊，就已经离我们很近了，1995年才发现啊，咱们放在之后再细聊，实际上早在1965年的时候啊，也就是盖尔曼提出这个夸克模型的第二年。另一个学科就诞生了，叫做量子色动力学qcd，根据qcd的理论，每一种夸克都具有独特的味道，也就是一共有六种味道的夸克。然后呢每一味夸克又可以具有三种颜色，红、绿、蓝啊，反夸克具有反颜色，但是这个味道和颜色啊并不是我们理解的味道和颜色啊，他就表示了两种新的量子数自由度啊，呃，就是实在没什么名起了，干脆就起了个与生活相关的。你说为啥是红绿蓝呢？一般好像我们听的都是红黄蓝三原色啊，其实红绿蓝啊也是三原色，这红绿蓝叫做叠加型三原色又叫做三基色。呃，三种颜色叠加就是白色，我们经常听到这个rgb，哎，就是这三种颜色英文的首字母啊，红黄蓝一般是在美术里边儿乘坐了三原色啊。呃，实际上它是消减型三元色，而且应该是红，黄，青啊，这三种颜色叠加是黑色。Qcd也是一种场论，所以就需要一种粒子来传递这个相互作用，就是夸克与夸克之间的强力是由谁来传递的呢？就是胶子，你比如说一个红色的夸克像一个蓝色的跨克传递胶子，那这个胶子就是有红色和蓝色组成的。胶子一共有八种的，就是根据颜色来区分的啊，至此我们终于知道这强子内部的结构了啊，比如说一个质子，他的内部构成就是有夸克和胶子组成的。夸克为啥看不见呢？今天咱们就可以换一种说法了啊，因为组成强子的每一种夸克必须颜色不同。也就是说啊，红绿蓝各有一种，因此这三种颜色叠加就变成了白色啊，我们看到的粒子都是白色的。除了白色，有颜色的粒子是看不见的，这也被称作是色禁闭啊，今天就是简要介绍一下之后啊，咱们再深入的了解，因为qcd理论需要杨米尔斯规范场的基础。在强子夸克理论发展的同时，物理学家对于弱力的研究啊也一直没有放下。那从下期开始，咱们就来看看物理学家是如何走上统一之路的。下期见，拜拜。

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