尋找宇宙中的基本粒子

丁肇中，世界著名美籍華裔實驗物理學家。1956年丁肇中入美國密執(zhí)安大學學習，1960年獲碩士學位，1962年獲博士學位。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工作。1967年起任美國麻省理工學院物理系教授，1977年當選為美國科學院院士。丁肇中主要從事高能實驗物理、粒子物理、量子電動力學、γ輻射與物質(zhì)的相互作用等方面的研究。他最杰出的貢獻是在1974年，與里希特各自獨立地發(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。現(xiàn)代電磁學的理論認為電子的半徑為零。1964年，美國麻省理工學院和哈佛大學建造了一個當時最大的加速器，這個加速器周長為1000英尺（1英尺為0.3048米）。當時來自哈佛大學和康乃爾大學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驗，實驗結(jié)果同時證明量子電動力學是錯誤的，電子是有半徑的。這是一個非常重要的實驗。1966年，我在德國用不同的方法重新做了這個實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實小到不可測量，電子是沒有半徑的。實驗的結(jié)果和理論的預期的比值等于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驗結(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。

第二個故事是關于新粒子家族的發(fā)現(xiàn)。到了20世紀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，其中有一個是藍的，要把它找到。但這個實驗不受物理界的歡迎。第一，當時的所有物理現(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驗可以做成，因此這個實驗幾乎被當時所有的加速器實驗室拒絕了。后來，終于在美國的布魯克海文國家實驗室用AGS做了這個實驗。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電子質(zhì)心系能量到達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驗室的實驗以后，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，以前的人認為只有三種夸克的看法是錯誤的。當然，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要對自己有信心，做你自己認為正確的事，別人反對是別人的事。

第三個故事是關于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電子對撞機做一個量子電動力學的實驗。在做這個實驗的時候，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，當正負電子對撞的時候，當膠子能量很小的時候，只有兩個噴注；當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。當年，美國物理學會對這個事例作了詳細介紹。雖然最初這套實驗儀器并非為這個實驗設計的，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？從這兒就推導出反物質(zhì)的理論，這也表示拿諾貝爾獎是很容易的。因為現(xiàn)在我們從實驗上知道，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，因為大爆炸以前什么都沒有，因此大爆炸中有一個電子則應該有一個反電子，有一個夸克也應該有一個反夸克，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，我們從實驗上需要知道的是由反物質(zhì)組成的宇宙在何處。假設它存在的話，我們應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，因為在穿過大氣的時候，它們會被湮滅掉。因為原子和反原子有相反的電荷，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)在所做實驗的目標，這個實驗稱為AMS，它是空間站上唯一的物理實驗。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磁鐵放到太空中運行。第一期AMS（01）于1998年6月搭載美國航天飛機在太空中運行了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將作為第一個科學實驗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磁鐵，大幅度提高AMS探測能力，在太空中長時間運行并采集更多的數(shù)據(jù)。超導磁鐵用于太空是高技術發(fā)展的一個范例，不多久前還認為是不可能的。我們的超導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，因為它非常大，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的實驗。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，實驗到底會發(fā)現(xiàn)什么呢？這是AMS實驗要回答的。

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驗室的加速器，至今快50年了，原定的目標是做π質(zhì)子相互作用實驗，袁先生做了非常重要的貢獻。除了這以外，更重要的是發(fā)現(xiàn)兩種中微子。美國費米國家實驗室在芝加哥，原來是做中微子物理實驗，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實驗，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，原目標是找Z和W，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是質(zhì)子總反應截面的增加。所以要做加速器，先找理論物理學家?guī)湍銓懸粋€目標。根據(jù)過去50年的經(jīng)驗，原來的目標和實驗發(fā)現(xiàn)完全是兩回事情。因為這是最先進的科學，是沒有辦法預見的。所以最后一個體會就是，要實現(xiàn)一個目標，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“吳健雄袁家騮科學講座——大師系列”上的首場演講）