回憶我們在電子偶素方面的研究工作
——紀念趙忠堯先生誕辰120周年

張?zhí)毂?/p>

（中國科學院高能物理研究所 100049）

1930年，趙忠堯?qū)嶒炗^察到正電子湮沒釋放的輻射，測得一種能量約等于電子質(zhì)量的特殊輻射。當年，這是精密的核物理實驗。趙忠堯是正電子湮沒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，對正電子發(fā)現(xiàn)有重要貢獻。兩年后，安德遜(Anderson)在云霧室中觀察到正電子的行跡，從狄拉克(Dirac)預言正電子至此約4年時間，人們確認第一個反粒子的存在，開啟了粒子物理的時代。之后，結(jié)合加速器的進步及多個基本粒子的發(fā)現(xiàn)，走上高能物理發(fā)展的開闊行程。

在趙先生發(fā)現(xiàn)正電子湮沒輻射之后，國際上相關基礎研究一直在進行并走向交叉學科應用。后者主要是通過正電子湮沒壽命、湮沒輻射2γ角關聯(lián)及其多普勒展寬三種參數(shù)來推斷被湮沒電子的能量狀態(tài)及材料相關屬性等。到高能物理所成立的1973年，正電子湮沒國際會議已舉行過三次。此時本所化學室王蘊玉等提出正電子湮沒研究方向是適時的。出于專業(yè)原因，我分工安裝正電子湮沒壽命譜儀，因譜儀技術難度大及長期閉塞，多年無實質(zhì)性進展。待改革開放后，引進若干關鍵NIM 插件，方知該技術在國外已商品化。我們組裝起完整譜儀之后，高能所的正電子湮沒研究工作走入軌道并推向全國。1979年王蘊玉、王淑英帶著自己的工作參加在日本舉行的第五次國際會議。在國內(nèi)也開始召開專業(yè)會議。

高能物理所開展基礎性粒子物理創(chuàng)新研究，關注粒子物理前沿課題的進展。20 世紀90 年代，弱電統(tǒng)一理論成功確立，統(tǒng)一弱電與強作用的標準模型探索成為粒子物理領域具有挑戰(zhàn)性的國際前沿課題。其中，電子偶素物理機制研究及其可能的湮沒產(chǎn)物Axion(軸子)尋找，成為有興趣物理課題之一。電子偶素(Positronium,縮寫Ps)是正電子與電子形成的類似氫原子的束縛態(tài)，原子半徑1.058?，比氫原子大一倍，存活于有空洞的介質(zhì)或介質(zhì)表面。Ps分正態(tài)(o-Ps)和仲態(tài)(p-Ps)兩類，其能級結(jié)構(gòu)和衰變模式可由QED(量子電動力學)計算，驗證這些計算涉及多個高精度實驗。當時身處高能物理研究崗位的一些同志有興趣涉足此領域：唐孝威提出測o-Ps 衰變3γ能譜來檢驗QED 計算；張長春提出o-Ps 未必是一個完整的QED 體系，它可能產(chǎn)生一種新的玻色子Axion(軸子，負宇稱，自旋為零)。我因相對熟悉譜儀技術且本來是核物理出身而成為他們的合作者。

稍后，我對此領域作了調(diào)研，了解到在理論上1983 年有人發(fā)表o-Ps 衰變3γ能譜最新的QED 計算；實驗上o-Ps 衰變率長期與理論值不一致，內(nèi)含Ps體系非QED 的意念；有人測正電子湮沒γ能量值偏離電子靜止質(zhì)量4.3 eV 等。我從實驗技術上分析這些問題。自感有底氣參與角力。于是寫出題為《電子偶素湮沒信息研究》的自然科學基金申請書，提出要建立合用的時間選擇能譜儀(TSES,最初稱聯(lián)合譜儀)，即把正電子湮沒壽命譜儀與高純鍺(HPGe)γ能譜儀組裝在一起成為主要測試儀器；研究氣凝硅膠樣品制成合用的o-Ps源和p-Ps源；逐次進行各項精密測量等。所述氣凝硅膠是貫穿始終的實驗樣品，它是一種低密度(0.1 g/cm3)膠狀固體，由SiO2納米顆粒串珠式結(jié)在一起，本用于高能物理實驗中的契侖柯夫計數(shù)器。已知正電子在SiO2顆粒中大量形成Ps，表面發(fā)射到顆粒外的自由空間中，最初產(chǎn)生的p-Ps壽命短(0.125 ns)且本底大不易利用，長壽命的o-Ps(～142 ns)允許數(shù)千次的碰撞逐漸損失能量直到熱化，是很好的o-Ps 源，如果外加磁場或充入順磁性氣體(如氧氣)則通過O-P轉(zhuǎn)換成為可利用的p-Ps源。

我的基金申請于1984年當年獲準，從建立實驗室到各項子課題完成歷時近10 年，于1993 年由國家自然科學基金委員會組織了鑒定，項目名稱定為“時間選擇能譜儀及對電子偶素體系的研究”，鑒定意見主要內(nèi)容如下：

1.在國內(nèi)發(fā)展BaF2時間探測技術，把BaF2時間譜儀與高純鍺γ譜儀組裝在一起成為時間選擇能譜儀，使譜儀工作于強磁場下，成為專用于正電子湮沒研究，特別是電子偶素體系研究的三參數(shù)(時間、能量、磁場)相關測量的實驗裝置，譜儀在磁場(2.4 T)下時間分辨達FWHM=260 ps；采取技術措施使譜儀對電子偶素質(zhì)心動能測量精度達到0.02 eV；對湮沒γ能量測量精度達到0.7 eV較國際同類實驗提高約4 倍，這些譜學技術從構(gòu)思到達到的技術指標與國際同類工作相比具有獨創(chuàng)性和先進性。

2.運用上述譜學技術研究電子偶素體系，發(fā)展氣凝硅膠電子偶素源技術，并完成一批物理工作，包括：在國際上首次精密測量正態(tài)電子偶素3γ衰變?nèi)茏V驗證QED計算，提出新的實驗方案重新測量正態(tài)電子偶素真空衰變率λo以檢驗QED計算，測得λo=7.034±0.013 μs-1；精密測量仲態(tài)電子偶素湮沒γ能量Eγ=510995.40±0.73 eV，給出電子康普頓波長λc=2.4263118×10-12m(1.5 ppm)和電子靜止質(zhì)量mc2=510998.80±0.74 eV，驗證正負電子質(zhì)量在0.74 eV內(nèi)一致性等，這些工作是有重要意義的基礎物理研究工作，除λo測量外，均屬國際先進水平。

以下分述各子課題參與國際競賽情況。在參加工作同志的共同努力下，總體說我們“勝多負少”，為國家爭了光。

1.關于o-Ps 衰變3γ能譜：此前我們有過測量，看到它是在0～511 keV能區(qū)連續(xù)分布的γ譜，但測量精度不夠，投稿被否，指出我們的工作于檢驗QED無望(hopeless)。至1983 年，理論上有三種譜形，我和唐孝威討論要予以澄清。利用我新建實驗室的有利條件，曾無間歇40 天累積數(shù)據(jù)，取得原始數(shù)據(jù)到中國科技大學四系由李耀清計算機解譜出結(jié)果，認定最新的具有輻射修正的QED計算與實驗符合，但是論文答辯仍意外艱苦，經(jīng)過反復，最后文章發(fā)表于Physics LettersV157 B,N5.6 1985 P357，并參加了第七次正電子國際會議。文章發(fā)表后，收到Brookhaven 實驗室K.Lynn 的信，他希望引用我們的結(jié)果在他們一篇Review 文章中。后來在Rev.Mod.PhysV60.N3.July 1988 看到了他們的文章，其中把Anderson 發(fā)現(xiàn)正電子的云室照片列為圖1，我們的3γ能譜列為圖2(圖1)，表示他重視我們的工作。該圖是我們的實驗結(jié)果，圖題是Lynn 他們寫的，從中看出Lynn 對QED 計算3γ譜和我們有同樣認知，其中有一句插話‘The 2γ decay of either…would prouduce a narrow peak at 511 keV’，意思是所有來源的2γ射線都呈現(xiàn)光峰，作為本底很容易處理，隱含他相信我們的解譜結(jié)果。這里Chang et al.指張?zhí)毂５热恕?/p>

圖1 Rev.Mod.Phys.文章

2.關于o-Ps衰變率(壽命倒數(shù))：國際上已有理論計算值，實驗上主要由Michigan大學物理系作貢獻，他們花9 年時間用不同方案，其結(jié)果自相一致而與QED不一致，舉例而言，o-Ps真空衰變率的QED值為λo=7.03893(7)μs-1他們的實驗值λo=7.0482(16)μs-1，二者相差6σ，σ指括弧中的實驗誤差，據(jù)此他們置疑o-Ps 不是完整QED 體系。這和張長春的見解有相仿之處，即認為o-Ps 衰變中可能含Axion 分支。我本人則因存在‘已知o-Ps 衰變能譜實驗與QED 計算一致’的思維慣性，認為Michigan 大學的實驗可能有錯誤。

我和徐敏按圖2 的裝置進行實驗，結(jié)果支持了預見。這是一個可以觀察o-Ps 從產(chǎn)生、發(fā)射、慢化到趨向熱平衡全過程的TSES 框圖，其中設8 個時間道同時控制測高純鍺D1搜集的能譜，D2是正電子源——真空氣凝硅膠樣品，樣品置入磁場中，長壽命o-Ps 磁猝滅由3γ轉(zhuǎn)為p-Ps 的2γ并在511 keV 處給出能峰，D3是106Ru源，它有512 keV γ射線以β-γ符合方式在線提供高純鍺對單能γ的響應函數(shù)，以p-Ps的511 keV峰對響應函數(shù)去卷積得p-Ps及相關o-Ps 的質(zhì)心動能，測量精度到0.02 eV。實驗使我們看到o-Ps 由最初發(fā)射動能0.8 eV 到趨向室溫熱動能(3/2)kT=0.038 eV 的演化過程，實驗與一個考慮全面的理論計算相符合。由此我判斷：在一個片面理論計算的誤導下，Michigan大學實驗者嚴重地把o-Ps達到與樣品熱平衡的時間估計短了，因而把一部分還正處減速的o-Ps的pick-off效應計入其自衰變效應，使得所測衰變率數(shù)值偏大(壽命變短)，如果把這一重要誤差源進行研究并對實驗結(jié)果進行必要校正，所謂實驗與QED計算不符合的物理結(jié)論當不存在。

圖2 實驗裝置示意圖

我把我們的觀察很快寫成英文稿寄Phys.Rev.Letters，其中對該期刊以前發(fā)表的五篇文章(包括一篇理論文章)進行分析批評，認為其在物理上不能成立。編輯部返回審稿意見，有一位審稿人這樣說，‘This paper is the most interesting and enlightening work on the vacuum lifetime of o-Ps that I have seen these last nine years,and should be published inPhysical Review Letters.’但是編輯部還是啟動一項special criteria,說明這樣的文章不宜在這里發(fā)表，建議給所批評的作者一個comment。我轉(zhuǎn)而以‘Effect of the Energy Loss Process on the Annihilation of Orthopositronium in Silica Aerogel’為題送Phys.lettersA 并發(fā)表于V126,N3,28December 1987。

我們這件工作受到國際同行的關注，1988 年在比利時召開的第8 次正電子湮沒國際會議邀請我以Invited Speaker 名義到會作報告，規(guī)定題目Positronium in silica Aerogel，限定講高能所本實驗室工作，我參會有20分鐘演講，以圖2所示的TSES裝置為中心說開去，講明自己的發(fā)展。從會后所發(fā)文集的Summary 中知道我們的工作頗受歡迎。

3.下一步是在自己的實驗室實現(xiàn)o-Ps 衰變率精密測量，我和楊廣明來作，深感不易。要避免前人曲折之路，條件太苛，可選的事例少，得出結(jié)果λo=7.034±0.013 μs-1，倒是在誤差內(nèi)與QED符合。這是一次有益嘗試。深感前人曲折之路也是科學發(fā)展的一部分。

綜上所述，我們的工作表明o-Ps 衰變率在10-3誤差水平與QED一致，Michigan大學的實驗經(jīng)校正(他們后來已宣布作了校正)在10-4誤差水平與QED一致，然而在10-5水平會是什么樣，仍是進一步實驗的事，不能說會永遠一致下去。

4.關于p-Ps 衰變γ能量測量：自趙忠堯首次測量正電子湮沒γ能量之后的幾十年間，國際上有數(shù)次改進測量，精度由200 eV 到10 eV 之內(nèi)。電子質(zhì)量作為基本物理常數(shù)也數(shù)次更新數(shù)據(jù)。至1983年，日本學者發(fā)表正電子在Al 中湮沒的γ能量，稱經(jīng)各項物理修正后與電子靜止質(zhì)量相差4.3 eV，這受到我的注意，認為實驗應重作。我們參照他們的做法，用192Ir放射源作γ能量標準刻度Ge譜儀，先測準450～550 keV能區(qū)若干放射性核的γ能量，再研究正電子湮沒輻射。不同的是刻度譜儀的方法和能量比較方法。192Ir 有8 條可利用的γ射線，其能量值由平面晶體衍射譜儀總體測準到0.3 eV。我們提出蠕動比較(slithering Comparison)方法，即把192Ir標準源與待測源混在一起測譜，用偏置放大器小步距改變譜在多道分析器上的道址。數(shù)十次位移得數(shù)百個γ峰數(shù)據(jù)，用一個融合步驟使這些數(shù)據(jù)點逼近到譜儀的刻度曲線上并定出待測γ能量值。這樣做立刻把Ge 譜儀測量γ能量的準確度由以前的2～3 eV 改進到0.5 eV。圖3 給出我們實驗室HPGe 譜儀所得微分非線性曲線，它呈帶狀振蕩結(jié)構(gòu)。從圖上可以直觀地判斷，常規(guī)的儀器刻度方法看不清振蕩結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點隨機落在某處，測量精度被振蕩的振幅所控，應該是在±3 eV 左右，而我們的蠕動比較法突破此限，它的誤差范圍應該表現(xiàn)在帶狀曲線的帶寬，例如±0.5 eV。

圖3 蠕動法定出譜儀非線性偏離曲線ε(x)，比較定出未知γ-射線能量

關鍵問題是曲線的真實性。我與多道分析器生產(chǎn)廠家合作，以多種方法(包括滑移產(chǎn)生器和60Co康普頓平臺測譜)以高統(tǒng)計精度測量多個插件，確認這是當時儀器的普遍情況，它來源于多道分析器內(nèi)置逐次比較電平欠準確，這對通常測譜不帶來影響。在此認識基礎上我把蠕動比較方法及對有關核γ射線能量的測量結(jié)果投稿到Nucl.Instr.Methods in Phys.Research，發(fā)表于A325(1993)196。

為了測p-Ps 衰變γ能量，只需將充氧氣的氣凝硅膠p-Ps源替換核γ源參與蠕動比較即可。附加的工作是用TSES分解出氣凝硅膠γ源中p-Ps的γ峰的相對道址，由此定出p-Ps熱化條件下的γ能量，總誤差在0.7 eV，經(jīng)Ps原子結(jié)合能修正等得到電子靜止質(zhì)量值。因我們的實驗值與電子質(zhì)量物理常數(shù)無矛盾，所以我們實驗結(jié)果的另一種表述是：正負電子質(zhì)量在實驗誤差內(nèi)一致。

以上工作在1993年通過鑒定，1997年得到國家科學技術委員會頒發(fā)的國家科技成果完成者證書。

1993～1997年及此后一段時間，我們的改進工作還在作：①彭良強提出一個電子學新安排，使TSES選出的熱化p-Ps信號直接參與蠕動比較。②魏龍、劉志剛計算機化使圖3微分非線性曲線的帶寬達到最小，誤差從0.5 eV 改進到0.4 eV。③調(diào)整192Ir 中588 keV標準線的能量值。④用68Ge正電子源替換以往所用22Na 源，用這些新發(fā)展的技術把p-Ps 的γ射線能量重測一遍，得能量值510995.44±0.57 eV，電子靜止質(zhì)量mc2=510998.84±0.57 eV，與當時標稱物理常數(shù)的值510999.06±0.15 eV誤差內(nèi)一致，或者說正負電子質(zhì)量在此誤差內(nèi)一致。

以上成果是在高能物理所取得的。始終得到國家科學基金的支持。在漫長的歲月里，有不少同志作貢獻，他們是王淑英、王海東、唐孝威、李耀清、張長春、鄧景康、孟伯年、徐敏、楊廣明、彭良強、魏龍和劉志剛等。其中王淑英和王海東主要貢獻在TSES建造和實驗室運行。

從認識論角度來看，我們的工作屬“量變”范疇，趙忠堯的工作屬“質(zhì)變”范疇，是不相同的。趙先生是前期高能所副所長，得到廣泛的愛戴和長久的紀念，值此趙先生120誕辰和高能所建所50周年之際，我們謹以曾有過的勤奮的工作致敬禮！