趙忠堯先生的發(fā)現(xiàn)和丁肇中先生的實驗

李祖豪 張 誠 孫澤同 整理

（中國科學院高能物理研究所 100049）

趙忠堯先生最早(1930年)在實驗上觀測到反物質的存在。1930年，趙忠堯先生在美國《物理評論》雜志上發(fā)表了《硬γ射線散射》的文章。這篇文章一個重要的結論是γ射線在通過重金屬鉛后會產(chǎn)生額外的散射光。

趙忠堯先生的這個發(fā)現(xiàn)預示了反物質的存在。γ射線在通過重金屬鉛后會產(chǎn)生額外的散射光是因為(圖1)：γ射線在通過重金屬鉛后產(chǎn)生正負電子對——電子是物質，正電子是反物質；正電子與鉛里面的電子湮滅產(chǎn)生的γ射線就是趙忠堯先生發(fā)現(xiàn)的“額外的散射光”。

圖1 光通過鉛之后，產(chǎn)生正負電子對，其中的正電子又和電子湮滅變成光

趙忠堯先生的發(fā)現(xiàn)——光可以變成正負電子對，啟發(fā)了丁肇中先生的一系列實驗。

1.測量電子半徑

1948 年，費曼(Feynman)、施溫格(Schwinger)和朝永振一郎(Tomonaga)提出的量子電動力學理論(QED)被當時幾乎所有的實驗所證明，他們也因此獲得了諾貝爾物理學獎。量子電動力學中認為電子是沒有體積的。

哈佛大學從事這種實驗的專家和著名的教授們從1960年開始，經(jīng)過若干年的研究，在1964年得到了電子是有體積的結論(電子的半徑為10-13～14厘米)，如圖2所示。這個結果得到了康奈爾大學團隊獨立測量結果的驗證。這樣的實驗結果與量子電動力學理論中電子沒有體積的假設不一致，他們的結果受到物理學界重視和廣泛關注。

圖2 哈佛大學測量電子半徑實驗的結果

電子是否有半徑涉及現(xiàn)代物理學的基礎，丁肇中先生決定用新的方法重做電子半徑測量實驗。1965年丁肇中先生到德國漢堡新建的60億電子伏特電子加速器(DESY)去做這個實驗。丁肇中先生根據(jù)趙忠堯先生光產(chǎn)生正負電子對的結論，在德國DESY 每秒鐘入射1000 億個60 億電子伏特的光子的加速器上，用如圖3 所示的大型粒子物理探測器進行電子半徑測量的實驗。

圖3 DESY電子半徑測量實驗裝置圖

1966 年，實驗的8 個月后，丁肇中先生的小組完成了實驗，發(fā)現(xiàn)電子實際上沒有可測量的尺寸，半徑小于實驗的測量精度10-14厘米，結果與量子電動力學理論預言完全一致，從而證明了量子電動力學是正確的(圖4)。這個結果在1966年在伯克利的羅切斯特會議(現(xiàn)在國際高能物理會議的前身)上首次宣布。

圖4 DESY電子半徑測量結果

2.光子和重光子的一系列實驗

重光子即有質量的光子，它與光子有著相同的量子數(shù)。重光子有ρ→ππ共振態(tài)，有ω→πππ共振態(tài)，有Φ→K+K-共振態(tài)等。

光子和重光子的量子數(shù)相同，光子的質量為0，而重光子有質量。在高能時，由于E=mc2，重光子和光子之間應該可以相互轉化(這里的m是指動質量)。由于共振態(tài)的不同，重光子ρ和ω衰變不會發(fā)生干涉，但ρ和ω都能變成光子，光子可以衰變成正負電子對，因此ρ和ω衰減能夠產(chǎn)生e-e+衰變干涉。

ρ和ω轉化的實驗非常困難，因為實驗需要e-e+和ππ的粒子分辨能力達到一億分之一以上，所以之前的實驗都沒有找到過ρ和ω的轉化。

丁肇中先生設計了一個新的探測器來做ρ和ω轉化的實驗，實驗結果(圖5)與ρ和ω可以互相轉化的預測相符，而不符合無相互轉化的預測，從而證明ρ和ω可以相互轉化的理論。

圖5 重光子ρ和ω之間相互轉化的實驗

同時丁肇中先生的實驗還觀察到傳統(tǒng)理論認為不可能存在的ω→ππ衰變。重光子ρ是ππ共振態(tài)，ω是πππ共振態(tài)，因此重光子ρ和ω衰減不會發(fā)生干涉；但ω可以轉化為光子，光子再轉化成ρ，ρ再衰變?yōu)棣笑?，因此ω→ππ衰變是可能存在的?/p>

當時有很多人討論這個問題，包括獲得諾貝爾獎的Glashow 和Steinberger，這是一個很重要的物理現(xiàn)象，但在此之前很多人進行過尋找但都沒有發(fā)現(xiàn)。丁肇中先生的團隊首次發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，并且用氫靶、碳靶和鉛靶，所得到的結果都測量到ω→ππ衰變，證明只有ρ→ππ衰變的理論是不正確的。

3.J粒子實驗

上述的一系列實驗都表明光子和重光子有相似性質，并且它們之間可以相互轉化。在當時就有這樣一個問題：為什么所有的重光子的質量都與質子的質量相近(10億電子伏特)？

丁肇中先生設計了一個當時最精密的探測器，決定到質子加速器上尋找更重的重光子。這個實驗在美國的布魯克海文實驗室實施(圖6)。

圖6 新粒子尋找原理圖

J 粒子實驗設計要求從100 億個已知粒子中找到一個新粒子轉化為正負電子對的事例。這個前所未有的精度，要求探測器必須每秒至少100 億個高能量的質子打到探測器上，同時需要達到100 萬分之一的精度來排除π+π-本底；這么多的質子輸入探測器所產(chǎn)生的放射線會徹底破壞探測器，對工作人員也是非常危險，所以必須發(fā)展全新的、非常精確的，在非常強的放射線下也能正常工作的探測儀器。

如圖7 為J 粒子實驗的最終實驗布置：M0，M1，和M2是偶極磁鐵；A0，A，B，和C是多絲正比室；a和b分別是8×8的徑跡室；S表示三排鉛玻璃和簇射計數(shù)器；CB,C0,和Ce是氣體切倫科夫計數(shù)器。探測器可以獨立測量動量p 和角度θ從而可以得到最佳的質量分辨率。

圖7 J粒子實驗裝置圖

實驗的屏蔽裝置由高密度的5 噸鈾，100 噸鉛來屏蔽γ,e，μ，10000 噸水泥來屏蔽P,K,π粒子，軟中子被放在各個方向的5噸肥皂截獲。

在J 粒子實驗裝置研制中，研發(fā)了很多的新儀器，包括特別精密的多絲正比室(現(xiàn)在展出于美國華盛頓的國家科技館)。

1974 年丁肇中先生的實驗組發(fā)現(xiàn)了J 粒子，它具有奇異的特性：它的壽命是已知的其他共振態(tài)粒子的一萬倍，這類似于在地球的一個偏遠地區(qū)突然發(fā)現(xiàn)了一個村莊，在那里，人們的壽命都是一百萬歲左右，這就表示這個村子里的人和普通人是完全不一樣的；這種新粒子的發(fā)現(xiàn)，證明了宇宙中有新的物質存在，它們是由新的夸克組成的，丁肇中先生實驗組把它命名為J粒子(圖8)。

圖8 J粒子質量分布

J 粒子的發(fā)現(xiàn)，改變了物理學界當時長期認為的世界上只有三種夸克的觀念，改變了我們對于物質基本結構的認識，丁肇中先生也因此獲得1976年的諾貝爾物理學獎。繼J 粒子之后，新的粒子又陸續(xù)被人們找到，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，至少存在六種不同的夸克(u,d,s,c,b,t)。

4.Mark-J實驗

20 世紀70 年代，丁肇中先生在德國PETRA 的300億電子伏特對撞機上，繼續(xù)之前光變成正負電子的實驗而發(fā)展出Mark-J實驗，主要研究正負電子對撞后，到底有什么現(xiàn)象，最后Mark-J實驗發(fā)現(xiàn)了膠子。

“文革”后，1977 年8 月，鄧小平建議每年派10位科學家參加丁肇中先生的工作，從那時起到現(xiàn)在，許多中國科學家參加丁肇中先生的團隊，做出了世界公認的貢獻。圖9為趙忠堯先生及科學院領導訪問Mark-J實驗時的合影。

圖9 趙忠堯先生及中國科學院領導訪問Mark-J實驗

宇宙中有四種力。一種是引力，引力的來源和傳輸我們并不了解；電磁力由光傳輸；弱相互作用力由Z0、W±傳輸；強相互作用力由膠子傳輸。

膠子的發(fā)現(xiàn)是物理學的重大進展。1979 年9月2日美國《紐約時報》報道了丁肇中先生團隊發(fā)現(xiàn)膠子的新聞，中間有一段特別指出，27 名中國科學家參加了這次試驗，在有關高能物理的國際合作研究史上，這是中國第一次的突出貢獻。當年的《人民日報》也報道了丁肇中先生領導的實驗小組發(fā)現(xiàn)膠子的新聞。

5.L3實驗

在尋找宇宙中的基本粒子的道路上有很多需要回答的基本問題：有多少種電子、夸克？電子、夸克的大小是多少？電子和夸克能被分解成更小的粒子嗎？為了探索這些基本問題，繼續(xù)以前光變成正負電子的實驗，丁肇中先生在歐洲核子中心CERN的正負電子對撞機LEP(1000億電子伏特的正電子和1000 億電子伏特的電子對撞)上進行了L3 實驗(圖10、圖11)。對撞時的溫度是太陽表面溫度的4000億倍，也是宇宙誕生最初(1000 億億分之一秒時)的溫度。這是首次美國、前蘇聯(lián)、中國、歐洲各地19個國家和600名科學家共同參加的大型國際合作。

圖10 《人民日報》報道丁肇中團隊發(fā)現(xiàn)膠子的消息

圖11 L3實驗裝置圖

L3實驗的磁鐵重1萬噸，探測器中有300噸鈾，這些鈾都是由前蘇聯(lián)制造提供的。中國的主要貢獻包括精密儀器——上海的硅酸鹽所研發(fā)的BGO晶體。BGO 晶體是透明的，其密度與鋼相同，當時全世界的BGO 年產(chǎn)量只有4 公斤，而上海硅酸鹽研究所在三年內為L3 實驗生產(chǎn)了所需的12 噸BGO 晶體(圖2)?，F(xiàn)在，BGO 晶體被廣泛應用于工業(yè)和醫(yī)學領域。

在L3實驗的數(shù)據(jù)分析中，多位中國科學家包括陳和生院士和王貽芳院士做出了非常重要的貢獻。

L3 實驗發(fā)表了300 多篇文章，培養(yǎng)了300 多博士。L3 實驗的主要結果可以總結為以下四點：第一，宇宙中只有3種不同的電子(e,μ,τ)及其對應的中微子和6種不同的夸克(u,d,s,c,b,t)；第二，電子是沒有體積的，電子半徑小于10-17厘米；第三，夸克也是沒有體積的，夸克的半徑小于10-17厘米；第四，所有的結果都與電弱理論相符合。

圖12 (a)L3實驗的BGO晶體；(b)L3實驗的BGO晶體，共計12000條，12噸

6.阿爾法磁譜儀(AMS)實驗

國際空間站上的阿爾法磁譜儀AMS，其主要的科學目標之一就是尋找宇宙中高能量正電子的來源。此外，AMS的主要科學目標還包括尋找宇宙中的原初反物質以及探索宇宙線的起源加速和傳播機制。AMS 實驗也是由丁肇中先生領導的大型國際合作項目，由來自16個國家和地區(qū)的600多位科學家組成。探測器于2011 年5 月16 日搭乘“奮進號”航天飛機發(fā)射升空，于3天之后安裝在國際空間站并開始持續(xù)運行取數(shù)，至今已收集了超過2100億宇宙線事例，并將持續(xù)運行到國際空間站使命結束(不早于2030年)。

AMS 是當今唯一長期在外太空運行的大型精密粒子物理磁譜儀(圖13)，具有接收度大、曝光時間長、測量精度高等特點，能夠精確測量從GeV 到TeV能段的宇宙線成分與能譜。

圖13 AMS探測器

根據(jù)現(xiàn)有的了解，宇宙中正電子來源有三種(圖14)。第一，宇宙線和星際物質碰撞而產(chǎn)生的正電子；第二，新的天體源如脈沖星產(chǎn)生的正電子(但由于反質子的質量很大，脈沖星是不產(chǎn)生反質子的)；第三，暗物質與暗物質碰撞湮滅，產(chǎn)生正電子。

圖14 宇宙中正電子的來源

AMS 實驗利用10 年運行收集到的340 萬從低能端到1.4萬億電子伏特的正電子事例得到的宇宙線正電子能譜如圖15所示，在較低能部分與宇宙線碰撞理論符合得很好；而高能量的正電子則遠超宇宙線碰撞的預期，并且?guī)Ы刂鼓芰浚A示其來自于“源”，可能是脈沖星或者暗物質。

圖15 AMS最新測量的宇宙線正電子流強譜結果

反質子是不能由脈沖星產(chǎn)生(因為正反質子質量大，脈沖星的伽瑪產(chǎn)生的正反質子對的可能性很小)。而AMS的實驗結果首次發(fā)現(xiàn)高能反質子與正電子的能譜具有著相似的能譜形狀(如圖16所示)，預示著二者可能有相同的來源，而脈沖星不能夠產(chǎn)生反質子，這一結果預示高能正電子不是由脈沖星產(chǎn)生。

圖16 AMS正電子流強譜與反質子流強譜的比較圖

AMS實驗已經(jīng)對電荷為1到14的質子到硅，以及電荷等于26 的鐵的宇宙線原子核能譜做了精確測量，得到了一系列意料之外的結果，為宇宙線起源加速和傳播機制的研究提供了重要的實驗依據(jù)；AMS 實驗還發(fā)現(xiàn)了幾個宇宙線反氦原子核候選事例，如果確認其來自于原初宇宙線，將為解答“反物質缺失之謎”提供重要的實驗依據(jù)。

宇宙是最廣闊的實驗室，AMS得到的實驗結果與先前的宇宙線理論并不一致，說明了我們對宇宙的認識十分有限。AMS 將在國際空間站上持續(xù)運行至2030 年，屆時收集的更多的宇宙線數(shù)據(jù)，將拓展，甚至改變我們對宇宙的理解。AMS最重要的目標是探索未知，尋找我們從未想過或發(fā)現(xiàn)過的自然現(xiàn)象。

千里之行，始于足下。趙忠堯先生的工作，啟發(fā)了丁肇中先生的實驗。