歷史 物理

APS News:魅夸克(Charmed Quark)的發現

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撰文者:原作者:Alaina G. Levine,譯者:林中一教授
發文日期:2017-12-02
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  • 夸克(Quarks)只是的「標準模型」(the Standard Model)裡所描述的基本粒子大家族裡的一個分支。但是當年魅夸克的發現卻是如此特別,因為它引燃了後續一連串的基本粒子物理的突破,留下了一段世稱「十一月革命」的佳話。除了對科學的衝擊之外,魅夸克被發現的歷程也帶著傳奇的色彩—它幾乎是同時被兩位非常不一樣的人所領導的兩組不同的團隊,在兩座不同的加速器,運用不同的方式所發現的。

    早在1930年代初期,當時的物理學家們似乎頗有信心的認為他們對物質的基本組成已經有了完整的圖像:電子、質子、中子、微中子,以及它們所對應的反粒子。然而大自然卻在1936年向科學家們投了個變化球,那一年,渺子(muon),一個重量版的電子被發現了。那真是個出人意料的驚奇,拉比(I.I. Rabi) 對此發了個著名的宣告:「那玩意兒是誰去訂來的?」。之後,物理學家們繼續用更高的能量撞擊粒子,更多的新粒子被發現了。

    物理界一直到1964年才等到了一個理論的解答,也就是蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和茨威格(George Zweig)在那一年分別提出的「夸克模型」。其內容就是說那些新被找到的粒子其實都是由少數幾個更小、更基本的被叫做夸克的粒子所組成;當時的理論裡只有三種夸克。「夸克」是蓋爾曼的命名,取材自於愛爾蘭作家喬伊斯(James Joyce)最後一部長篇小說《芬尼根的守靈夜》(Finnegan’s Wake)裡一句著名的無厘頭詩句「給馬司特馬克三個夸克吧!」(“Three quarks for Muster Mark!”)。他們推測可能還有第四種夸克,但是在1970年葛拉蕭(Sheldon Glashow)、李奧波羅斯(John Iliopoulos)與馬依安尼(Luciano Maiani)為了解釋一個預期有但失蹤了的粒子交互作用,明確的預測了第四種夸克的存在。這個理論預測為實驗的尋找搭建了舞台。

    在紐約的布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的丁肇中(Samuel Ting)正在準備一個找尋粒子的實驗。這個實驗將高速的質子射向鈹靶以製造大量的新粒子,然後用磁場和偵測器來過濾出有趣的結果。

    丁肇中出生時是個早產兒,那時他的父母正在由中國來美國密西根州的安娜堡訪問。老丁的提前在美國報到,讓他成了美國公民。一家人之後回到了中國,但是日本侵華戰爭打斷了丁肇中的教育,他十二歲之前基本上是在他祖母的關注之下在家學習的。二十歲時丁肇中返回美國進入了密西根大學(University of Michigan)就讀,並於1962年拿到博士學位。之後他成為了哥倫比亞大學的教授,接著又獲聘於麻省理工學院。他的團隊做實驗使用的是美國東岸的布魯克海文實驗室的「交變磁場梯度同步加速器」(Alternating Gradient Synchrotron (AGS)),因為那一座加速器能產生更高的能量。

     
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    丁肇中在布魯克海文國家實驗室(照片來源:Wikimedia Commons)
     
    在那個同時,在美國西岸史丹福大學的李赫特(Burton Richter) 帶領著他的團隊在尋找夸克。李赫特是1931年出生在紐約市的皇后區。當他開始在麻省理工學院讀大學時,他還不太確定他要讀物理還是化學,不過很快的就選擇了前者。他的研究生也是留在麻省理工學院讀的,而且最終選擇了粒子物理。拿到博士之後,他獲聘於史丹福大學。也就在他開始學術生涯之後不久,他就參與了建造被稱為SPEAR的直徑80公尺的「史丹福正子電子加速器環」(Stanford Positron Electron Accelerating Ring)。SPEAR於1973年完工,能夠產生正、反向繞圈的正子與電子束,能量達四十億電子伏特。
     
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    史丹福的SPEAR加速器(照片來源:Wikimedia commons)
     
    布魯克海文的加速器加速的是質子,但是質子並不像電子一樣是基本粒子。所以史丹福的科學家們認為他們的正子電子加速器是更好的探測器。一座長相像是旋轉木馬的儲存環將一道電子束和一道相反方向的正子束加速到高能量後對撞,這樣透過質能互換,就會產生像天女散花般一大堆的新粒子。粒子束也可以被導向撞擊固定靶,基本上像是個放大版的拉賽福(Ernest Rutherford)散射實驗,只是這裡被用做標靶的是液態氫和液態氘。

    在1974年的整個夏季,兩組團隊各自獨立的逮到了他們的獵物。由於夸克無法獨自存在,所以他們是透過以一個魅夸克與反魅夸克組成的介子的形式來證實他們的發現。在SLAC(史丹福線性加速器中心),李赫特團隊在收集到的數據裡看到了一個有質量的尖峰(共振),顯示他們偵測到了一個新粒子—魅夸克。而且那顆粒子的壽命比預期的還要長。

    當年十一月的時候,李赫特和丁肇中在SLAC的一次會議中比較了兩邊的紀錄,明瞭到了他們兩個團隊都發現了第四種夸克。雙方很快的發了一個共同宣告,而且在差不多一個星期之後,兩個團隊分別發表了論文,仔細的公布了各自的實驗結果。李赫特用「ψ粒子」為他的發現命名,這是因為那個粒子的衰變結果有四個粒子在磁場中畫出的軌跡看起來很像希臘字母ψ。丁肇中以「J粒子」來命名,因為J與他的中文姓氏「丁」相似。最後兩位物理學家在命名上面達成協議,將兩個名字合併,所以那個由魅夸克組成的粒子正式的名稱就叫做J/ψ粒子。

    李赫特與丁肇中共同獲頒1976年的諾貝爾物理獎。得獎的理由在於「他們在發現一個新種類的重基本粒子所做的開創性工作」。基於這個發現,現在有了完整的兩個世代的粒子:第一代—電子、「上夸克」(up quark)與「下夸克」(down quark);第二代—短壽命的渺子、「魅夸克」(charmed quark)與「奇異夸克」(strange quark)。
    然而,大自然仍然藏了好幾個驚奇。在幾年之內,SLAC的科學家們發現了「τ-輕子」,也因此開展了另兩種新夸克的探索。費米實驗室(Fermilab)的質子-反質子對撞機(Tevatron)在用質子以更高的能量撞擊固定靶找到了「底夸克」(bottom quark)。過程和找到魅夸克類似,就是在檢視實驗的統計數據時看到了指標性的曲線「突起」,顯示看到了新的「γ-粒子」(由底夸克和反底夸克組成,γ係希臘字母,讀做upsilon);這是1977年成就的事了。然而費米實驗室的科學家們幾乎花了另外二十年才在1995製造出了幻夢似真的「頂夸克」(top quark),而且驗明正身之後證實找到的比原先預期的要重得多—和金的原子核一樣重。

    至於魅夸克,它則持續的給科學家們帶來驚奇。2002年的時候費米實驗室的SELEX共同研究團隊宣布,他們偵測到了一個單電荷的雙魅粒子(是由一個下夸克以及兩個魅夸克組成)。但是這裡有點小問題,就是自從那一次之後,其他的實驗都無法再製造出這一類的粒子。也就在今年,瑞士的「大強子對撞機」(the Large Hadron Collider)的LHCb偵測器發現了一種稀有的粒子組合:一個帶兩個電荷的雙魅粒子-Ξ粒子(由一個上夸克和兩個魅夸克組成)。Ξ粒子明顯的比SELEX找到的那一顆要重得多。這些奇特的結果,要嘛,就可能有一個實驗結果出錯(但要注意,兩個實驗的分析都很謹慎乾淨),要嘛,就是請做理論的人再賣力一點把這兩個實驗搞清楚。誰知道魅夸克還藏了些甚麼其他的秘密?



    本文感謝APS NEWS (美國物理學會)授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。原作者:Alaina G. Levine,譯者:林中一教授 ,原文刊登於APS NEWs November/2017 http://www.aps.org/publications/apsnews/201711/history.cfm
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