精密实验获粒

人类在历史的长河中对微观世界和宏观世界的认识过程，无一不是经历了由浅入深、由个别到一般的认识层次。在道尔顿（Dalton J，1766—1844年）建立原子学说之前，人们只是认为组成物质的最小单位是分子，这是受到牛顿和波义耳学说影响的结果。18世纪末，科学实验仪器有了新的发展，化学反应过程中的某些定量关系已经被相继发现。道尔顿生活在当时英国工业比较发达的曼彻斯特，他进行了长期的业余气象研究和化学研究，提出了新的原子论，认为一切物质都是由原子组成的。他于1803年10 月8日在曼彻斯特的文哲学会上第一次宣读了他关于原子论及原子量计算的论文。而原子又是由电子和原子核两部分组成的，原子核又是由各种基本粒子组成的。1897年，英国物理学家汤姆逊发现了电子，这项伟大发现在科学史上具有非常重要的意义，它猛烈冲击着传统的经典物理学理论，否定了“原子不可分”“元素不可变”的陈旧观念，使人们的认识深入到了微观领域，推动人们去研究原子的内部结构，从此揭开了20世纪物理学革命的序幕。

然而基本粒子并不基本。20世纪以来科学家们不断发现了一些新的粒子，进一步证明了物质是无限可分的，基本粒子是由更为基本的“积木块”堆积而成的，组成基本粒子的这些“积木块”称为“夸克”。夸克是我们目前认识到的物质的最小单位。20世纪60年代，物理学家们认为只存在3种夸克。但是丁肇中的发现完全推翻了这种看法，使人们推测到夸克不只是3种，还有第4种或更多种。这就打开了一个新的基本粒子家族的大门。

发现这种基本粒子的是美籍华裔物理学家丁肇中。丁肇中的祖籍是山东省日照市，他于1936年1月27日生于美国密歇根州，父母都毕业于密歇根大学。他出生两个月后就随父母回到了国内，在中国度过了他的童年和少年时代。20岁时在父亲一位朋友的帮助下去美国密歇根大学学习，1962年获得物理学博士学位。他非常喜欢动脑和提出新问题。在20世纪70年代，他着手实验准备工作时，高能物理的研究几乎处于停滞不前的状态。当时的物理学家们普遍认为，基本粒子结构的对称性理论已经非常完美无缺了，基本粒子也仅仅是由d、u、s 3种夸克组成的。但丁肇中并没有被这种传统的观念所束缚，他提出：到底有多少种夸克？为什么只有3种夸克存在？这个问题并未完全解决，因此，他提出要用高能质子束做实验来进一步考察。

丁肇中在美国国立布鲁克海文实验室做实验。他用质子同步加速器使质子加速，再用加速后的质子做炮弹轰击金属铍，产生新的粒子，然后测定新粒子衰变产物的有效质量，从而证明了J粒子的存在。测定J粒子的实验是相当精密的。在一亿次观测中只有一次出现J粒子的机会，所以十多年来一直未被人们发现。那么，为什么只有丁肇中能够首先发现J粒子呢？

首先是丁肇中具有创造性的思维。他向来有认真思考问题创造性解答问题的习惯。上中学时，每当老师提问，他总是第一个举手回答，为了得到正确的答案，常常和同学们辩论到水落石出才肯罢休。大学时期，他因擅长于提问而闻名。

从方法上讲，丁肇中主要是高度重视精密测量和实验。传统观点认为，在高能物理的反应过程中，必须有足够高的能量，才能获得新的粒子。而丁肇中认为要发现新粒子，现有实验所具备的能量已经足够了。因此他想道：是不是由于探测器的灵敏度不够而影响人们做出新发现呢？于是，丁肇中就开始思考怎样提高探测仪的灵敏度，并着手设计质量良好、分辩能力强的探测器。早在丁肇中发现J粒子以前的1970年，美国布鲁克海文实验室就已经发现过与这种粒子有关的奇怪现象，但由于仪器的精密度不高，无法确定这是不是由新粒子造成的。丁肇中花了两年多时间制造出一架高分辨率的大型“双臂质谱仪”。从高能反应中飞出来的粒子进入长达21米的质谱仪双臂中，仪器就可以进行精密的探测。

为了克服和杜绝在实验室中由于客观原因引起的误差，确保实验的精确性，不漏过任何一个有价值的观测机会，丁肇中在实验室建立了一套严格的规章制度，规定小组里的物理学家要每天值班，甚至当加速器关机维修时也要留人跟班，谨防错过实验中可能出现的有价值的观测机会；同时建立了严格的实验仪器检测制度。丁肇中要求小组成员严格遵守数据处理规则，慎重对待实验中的每个细节、每一个数据，力求实验更精确。这些严格的规章制度，是丁肇中取得成功的关键所在。

1974年4月，丁肇中和他的实验小组投入了紧张的实验。丁肇中开始对两个质子碰撞后产生的电子对数目的情况进行观察。一直没有什么异常现象发生。8月初，丁肇中把质子加速器的实验能量提高到30亿电子伏特时，铅计数器出现了不正常的现象：电子对数目成倍上升。能谱仪上的分辨数据表明，这是一种窄宽度能量的粒子。按照量子力学理论，一种粒子的能量宽度和它的寿命成反比，由此推断，这种窄宽度能量的粒子的寿命应该很长，约为10-20秒，竟比普通介子的寿命长1000倍，测量到它的质量为质子质量的3倍多。

这是个激动人心的发现。丁肇中意识到可能是发现了新粒子。为慎重起见，他们又将实验反复进行了500多次，得到的都是同样的结果。1974年11 月10日上午，丁肇中小组经过3个多月的检测，正式宣布J粒子的发现。这是因为英文字母“J”与中文“丁”很相似，为了纪念丁肇中的杰出贡献，人们把这种粒子命名为“J”粒子。巧合的是，也就在这一天上午9点种，从美国加利福尼亚的斯坦福直线加速器那里也传出了一个振奋人心的好消息：美国科学家里奇特领导的小组也发现了一种名字为“Ψ”的粒子，粒子的质量和性质与丁肇中小组发现的粒子完全相同。这两项新发现震惊了世界各国科学界，许多科学家闻讯纷纷赶到这两个实验室详细了解发现新粒子的经过。经过进一步比较，结果人们发现“J”粒子和“Ψ”粒子原来是同一种粒子。于是，人们重新把这种粒子命名为J/Ψ粒子。1976年，丁肇中和里奇特二人由于发现这种粒子而双双获得诺贝尔物理学奖。

这个新发现，不仅打开了基本粒子家族的大门，为建立新的更为完善的科学理论提供了实验基础，而且J/Ψ粒子的发现还可能在自然界的4种基本作用力之间，建立起统一的联系，这种统一的联系正是自爱因斯坦以来，许多科学家所梦寐以求的目标。