尋找宇宙中的基本粒子

丁肇中，世界著名美籍華裔實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。1956年丁肇中入美國密執(zhí)安大學(xué)學(xué)習(xí)，1960年獲碩士學(xué)位，1962年獲博士學(xué)位。1963～1964年在歐洲核研究中心工作，1964～1967年在美國哥倫比亞大學(xué)工作。1967年起任美國麻省理工學(xué)院物理系教授，1977年當(dāng)選為美國科學(xué)院院士。丁肇中主要從事高能實(shí)驗(yàn)物理、粒子物理、量子電動力學(xué)、γ輻射與物質(zhì)的相互作用等方面的研究。他最杰出的貢獻(xiàn)是在1974年，與里希特各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子。為此，他們共同獲得了1976年諾貝爾物理學(xué)獎。

如何尋找宇宙中最基本的粒子呢？我用四個故事向大家介紹一下，這些故事是我在過去的30年里所親自經(jīng)歷的。

第一個故事是測量電子的半徑?，F(xiàn)代電磁學(xué)的理論認(rèn)為電子的半徑為零。1964年，美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)建造了一個當(dāng)時最大的加速器，這個加速器周長為1000英尺（1英尺為0.3048米）。當(dāng)時來自哈佛大學(xué)和康乃爾大學(xué)的世界上很有名的專家，在這個加速器里做一個很重要的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時證明量子電動力學(xué)是錯誤的，電子是有半徑的。這是一個非常重要的實(shí)驗(yàn)。1966年，我在德國用不同的方法重新做了這個實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實(shí)小到不可測量，電子是沒有半徑的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論的預(yù)期的比值等于1，等于1即是說電子的半徑等于零，也就是說以前許多專家所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是錯誤的，所以我的第一個體會是不要盲目從專家的結(jié)論。

第二個故事是關(guān)于新粒子家族的發(fā)現(xiàn)。到了20世紀(jì)70年代，所有已經(jīng)知道的基本粒子都可歸結(jié)為由三種夸克組成，所有的現(xiàn)象都可以用三種夸克來解釋。我就問為什么宇宙中只有三種夸克？為了尋找新夸克，我決定建造一個高靈敏度的探測器，它的靈敏度要達(dá)到新夸克/已知夸克=1/100億。何謂靈敏度是一百億分之一呢？南京下雨的時候，大概每秒鐘有100億個雨滴，其中有一個是藍(lán)的，要把它找到。但這個實(shí)驗(yàn)不受物理界的歡迎。第一，當(dāng)時的所有物理現(xiàn)象都可以用三種夸克來解釋，所以人們不需要第四種夸克。第二，沒有人相信這樣困難的實(shí)驗(yàn)可以做成，因此這個實(shí)驗(yàn)幾乎被當(dāng)時所有的加速器實(shí)驗(yàn)室拒絕了。后來，終于在美國的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室用AGS做了這個實(shí)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn)了一種很新的粒子，完全想象不到的一種粒子。這種粒子在正電子負(fù)電子質(zhì)心系能量到達(dá)31億電子伏特的時候，突然就產(chǎn)生一個很高的峰。根據(jù)以前所有的理論，這個峰是不應(yīng)該存在的。說明找到了一種粒子，這是J粒子。所以我們完成了布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)以后，發(fā)現(xiàn)了一種全新的夸克。這種新粒子有很特別的性質(zhì)：第一，它們質(zhì)量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的壽命比其他所有已知粒子的壽命長1000倍。這種長壽命的重粒子可能是新的夸克家族成員，所以，以前的人認(rèn)為只有三種夸克的看法是錯誤的。當(dāng)然，有了這第四種夸克，你就可以問有沒有第五種、第六種——至今為止，已發(fā)現(xiàn)了六種。因此我的第二個體會是永遠(yuǎn)要對自己有信心，做你自己認(rèn)為正確的事，別人反對是別人的事。

第三個故事是關(guān)于1979年膠子的發(fā)現(xiàn)。大家都知道在原子里有電子和原子核，電子和原子核之間的力由光子傳送。在質(zhì)子里有不同的夸克，夸克之間的力在理論上來說是由膠子傳遞。那時我們正在德國用正電子負(fù)電子對撞機(jī)做一個量子電動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)。在做這個實(shí)驗(yàn)的時候，則可以產(chǎn)生夸克、反夸克和膠子，如果這樣的話就會出現(xiàn)三個噴注的現(xiàn)象。果然，當(dāng)正負(fù)電子對撞的時候，當(dāng)膠子能量很小的時候，只有兩個噴注；當(dāng)膠子的能量增大的時候，就會出現(xiàn)三個噴注現(xiàn)象。三個噴注現(xiàn)象的存在就表示膠子是存在的。當(dāng)年，美國物理學(xué)會對這個事例作了詳細(xì)介紹。雖然最初這套實(shí)驗(yàn)儀器并非為這個實(shí)驗(yàn)設(shè)計的，但卻獲得了意外的結(jié)果。所以第三個體會就是對意料之外的現(xiàn)象要有充分的準(zhǔn)備。

第四個故事就是尋找反物質(zhì)的宇宙。這在國際空間站上叫做AMS。反物質(zhì)的存在，是由狄拉克在理論上推導(dǎo)出的，他因此在1933年12月12日獲得諾貝爾獎。他注意到，相對論的公式和量子電動力學(xué)的公式中，質(zhì)量是乘平方的，也就是說等于m×m，也等于（-m）×（-m）。狄拉克問“-m”是什么意思？從這兒就推導(dǎo)出反物質(zhì)的理論，這也表示拿諾貝爾獎是很容易的。因?yàn)楝F(xiàn)在我們從實(shí)驗(yàn)上知道，所有的粒子有反粒子，我所要問的是另一個問題，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理論中，宇宙起源時的溫度非常高，因?yàn)榇蟊ㄒ郧笆裁炊紱]有，因此大爆炸中有一個電子則應(yīng)該有一個反電子，有一個夸克也應(yīng)該有一個反夸克，所以在剛爆炸的時候，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多。問題是經(jīng)過150億年之后，由反物質(zhì)組成的宇宙在什么地方。我們知道在宇宙中有氦原子、有碳原子在太空中漂行，那么有沒有反物質(zhì)所組成的宇宙也產(chǎn)生反氦原子和反碳原子呢？所以，我們從實(shí)驗(yàn)上需要知道的是由反物質(zhì)組成的宇宙在何處。假設(shè)它存在的話，我們應(yīng)該在太空中找到反氦原子、反碳原子。反氦原子、反碳原子不能在地面上找到，因?yàn)樵诖┻^大氣的時候，它們會被湮滅掉。因?yàn)樵雍头丛佑邢喾吹碾姾?，所以尋找原子和反原子必須用磁鐵來測量在磁場內(nèi)的軌道，正的向一個方向偏轉(zhuǎn)，負(fù)的向另一個方向偏轉(zhuǎn)。在太空中探測它們這就是我現(xiàn)在所做實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，這個實(shí)驗(yàn)稱為AMS，它是空間站上唯一的物理實(shí)驗(yàn)。過去四十年中，經(jīng)過觀測紫外線，X射線，γ射線而發(fā)現(xiàn)了許多重要的天文現(xiàn)象。但在宇宙中除了光子之外，還有帶電的粒子。然而至今還沒有一個精密的磁譜儀在太空中觀測帶電粒子，其主要原因在于無法將超導(dǎo)磁鐵放到太空中運(yùn)行。第一期AMS（01）于1998年6月搭載美國航天飛機(jī)在太空中運(yùn)行了10天，觀測到一些過去沒有的現(xiàn)象，這是人類第一次測量這些東西，所以覺得現(xiàn)在的結(jié)果很奇怪，可能過了三五年，對這種現(xiàn)象了解以后，就會覺得很自然了，這是我最簡單的解釋。美國航空航天局決定在2003年5月再次將AMS發(fā)射升空，AMS將作為第一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)搭載安裝在空間站上。AMS（01）原結(jié)構(gòu)中用的中國制造的永久磁鐵改為超導(dǎo)磁鐵，大幅度提高AMS探測能力，在太空中長時間運(yùn)行并采集更多的數(shù)據(jù)。超導(dǎo)磁鐵用于太空是高技術(shù)發(fā)展的一個范例，不多久前還認(rèn)為是不可能的。我們的超導(dǎo)磁鐵是在英國和瑞士制造的，能在空間站上工作三年。AMS探測器還包括若干子探測器，它們能夠在太空中精確測量光子、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、碳原子核和反碳原子核，氦原子核和反氦原子核等。到了2003年晚上，天晴的話，可以看到這個空間站，因?yàn)樗浅４?，可以看到它像星星一樣轉(zhuǎn)，到那時你會記住上面有一個AMS的實(shí)驗(yàn)。它要解決兩個問題，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物質(zhì)組成，另一半的宇宙是反物質(zhì)組成，那么反物質(zhì)所組成的宇宙在什么地方？第二個問題是90%的宇宙是觀察不到的，它是由暗物質(zhì)組成的，暗物質(zhì)是什么？這些都是理論，實(shí)驗(yàn)到底會發(fā)現(xiàn)什么呢？這是AMS實(shí)驗(yàn)要回答的。

現(xiàn)在向大家介紹一下在過去50年內(nèi)加速器的發(fā)展。最早的加速器是袁家騮教授所用的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的加速器，至今快50年了，原定的目標(biāo)是做π質(zhì)子相互作用實(shí)驗(yàn)，袁先生做了非常重要的貢獻(xiàn)。除了這以外，更重要的是發(fā)現(xiàn)兩種中微子。美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室在芝加哥，原來是做中微子物理實(shí)驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)了第五種、第六種夸克。斯坦福直線加速器原來是做電子質(zhì)子彈性散射和量子電動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)的是部分子和第三種輕子。日內(nèi)瓦的ISR質(zhì)子對撞機(jī)，原目標(biāo)是找Z和W，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是質(zhì)子總反應(yīng)截面的增加。所以要做加速器，先找理論物理學(xué)家?guī)湍銓懸粋€目標(biāo)。根據(jù)過去50年的經(jīng)驗(yàn)，原來的目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完全是兩回事情。因?yàn)檫@是最先進(jìn)的科學(xué)，是沒有辦法預(yù)見的。所以最后一個體會就是，要實(shí)現(xiàn)一個目標(biāo)，最重要的是要有好奇心。對自己做的事情感興趣，要勤奮地工作！

（本文是丁肇中教授在“吳健雄袁家騮科學(xué)講座——大師系列”上的首場演講）