为什么中微子只有三味呢

从20世纪80年代开始，科学家们就相信自然界存在所谓夸克和轻子的对称性。因为夸克有三代，所以轻子也应有三代。每代轻子有一味中微子，三代轻子所以有三味中微子。在20世纪60～70年代中期以前，人们都只知道有三味夸克：u夸克（上夸克）、d夸克（下夸克）和s夸克（奇异夸克），那时人们还没有代的概念。由丁肇中等人掀起的“1974年11月革命”，人们发现一种新的夸克，c夸克（粲夸克）。这是怎样一回事呢？

1995年3月2日，美国费米国家实验室向全世界庄严宣告：他们利用超级质子—反质子对撞机探测器，在1994年找到12个t夸克事例，在1995年找到56个t夸克事例，确定其质量为174吉电子伏！从而正式结束对t夸克长达近20年的漫长探索！

对于国际高能物理学界，这早春二月传来的佳音，不啻贝多芬《欢乐颂》的奏鸣。为了追寻t夸克的踪迹，人们专门建造5座大型加速器，耗资亿万，其中4座都以能量不够宣告搜寻失败。但是，20世纪70～80年代人们做梦也没有想到t夸克质量如此巨大，竟然是核子的近200倍！

至此，科学家认为的夸克家族3代6个（味）成员才算大团圆了。

大家清楚记得，夸克模型伊始，只有3个（味）夸克：u、d与s。1970年哈佛大学的格拉肖就预言，在现有的3个夸克以外，还应存在质量很大的新夸克（即后来的c夸克）。他与希腊科学家里奥坡洛斯、意大利科学家迈阿里合作撰文，正式发表了这个预言。这就是所谓GIM理论。与此同时，费米实验室的实验部主任莱德曼在质子束与铍靶对撞实验中，观察到一些奇怪的迹象，有可能解释为新夸克存在，但证据不充分。

但奇怪的是，发现c夸克的两个小组都并未受到GIM理论的影响。其中一个小组的负责人美籍华裔物理学家丁肇中，根据莱氏与华裔科学家颜东茂的建议，在美国布鲁克海文实验室的正负电子对撞实验中，于1974年夏天发现一种新的质量达3.1吉电子伏的介子，寿命异乎寻常的长。他没有及时宣布这个结果，准备进行复核后再发表。但是，在1974年11月上旬，丁肇中的小组已完成复核工作的紧要当口，他从电话里得知在斯坦福直线加速中心的里希特沿着另一条途径也发现该粒子。于是他俩同时宣布他们的发现，丁肇中称该介子为J介子，里氏则称为Ψ介子，现在学术界统称J/Ψ介子。

丁肇中1962年获得密歇根大学博士学位以后，先后在哥伦比亚大学和麻省理工学院任教。他语调安详柔和，工作极其严谨、认真，不厌其烦。当时他正热衷于“重光子”的工作，如ρ粒子、Φ粒子与Ω粒子，他相信还有更重的“重光子”。但是他的想法未能得到美国费米实验室和CERN领导人的支持。于是，他在1972年初进入布鲁克海文国立实验室。寻找“重光子”的工作在1974年春天就已开始。在丁肇中的统一指导下，实验由陈敏和贝克教授领导的两个独立小组进行。1974年9月两个小组都独立发现J/Ψ介子。丁肇中觉得还需复核，以排除实验仪器误差，他严令任何人不得公布其发现。丁肇中的实验是用质子对撞，而后分析产生的电子与正电子对。里希特则相反，用电子与正电子对撞，而后分析其产物。

J/Ψ介子的发现，极大地震动了国际学术界。自1964年以来，已被接受的3夸克模型从此要作修改了，J/Ψ介子只能解释为新夸克与其反夸克构成的介子。这一发现极大地震撼了当时的国际高能物理学界，以致该发现被称为“1974年11月革命”。由于这一重大发现，丁氏与里氏双双荣获1976年诺贝尔物理学奖。

J/Ψ介子性质非常奇怪：质量特别大，有3.1吉电子伏，超过以往任何类似“重光子”粒子；寿命特别长，为10﹣12～10﹣13秒，比质量与它相近的超子（Σ、Ξ等）差不多要长100亿倍！后来人们又发现与J/Ψ相关的介子与重子，以致形成庞大的家族（即粲粒子族）。

J/Ψ的发现，意味着第四味夸克c夸克的发现，c夸克质量大，约1.5吉电子伏，其电荷为2/3基本电荷。“c夸克”中文译名为粲夸克，这是我国已故著名理论物理学家王竹溪先生定名的，义取《诗经·唐风·绸缪》：“今夕何夕，见此粲者。”此粲有“美女”义，“粲”按《说文》、《广韵》还有美好意。英文原义有魅力意。王先生的译名甚为贴切、典雅。在1978年王先生正式命名前，曾流行“魅夸克”的称谓。魅固然有魅力的延伸意思，但“魑魅魍魉”，本义都是厉鬼，甚不雅驯。粲与魅两种译法，大有文野之分，精粗之别。也许读者认这件小事，应该领悟到一些道理。

如果说c夸克的发现，理论物理学家先有预言，实验上也有征兆，那么b夸克的发现则纯属偶然，如果说有什么别的启发的话，倒是1974年，轻子的发现。既然轻子有5种或6种（加上v）；夸克种类会不会也是5种或6种呢？在欧洲，科学家们在5吉电子伏、6吉电子伏和8吉电子伏的高能域下搜索，未发现新的夸克。从1975年，莱德曼就开始搜寻重夸克。中间还发生过差点误认在6吉电子伏处可能有一重夸克的故事，后来证实是误认。1977年8月费米实验室主任莱德曼利用400吉电子伏的质子来轰击靶核；以产生μ﹢、μ-对与e﹢、e-对，结果发现一个超重的新介子，他命名为γ介子，其质量竟达9.5吉电子伏，相当于质子的10倍。实际上这意味着发现了新夸克，因为原有的夸克都不可能构成如此重的介子。后来的实验表明，对应的新夸克的电荷为-1/3基本电荷。γ介子由b夸克与夸克构成，即γ=（b）。b夸克人们称之为“bottom”（底）夸克。bb夸克的中文译名“底”就是直译罢了。至于为何称bottom，也很简单。原来人们将此时发现的5味夸克，按弱同位旋两重态排列如下：

按其电荷值应排在第三代弱同位旋的下面，故取名为“底”夸克，与下夸克一样的意思。这里每一代的上一个夸克其弱同位旋向上，下一个夸克则其同位旋向下。

自此以后，所有的物理学家都有一个信念，第三代弱旋的上面空位肯定有一种新夸克来填补，甚至名字早就为它准备好了，叫“top”（顶）夸克或t夸克。大家都以为这位“远方游子”快到家了，与其他5位家族成员的团圆即将实现。

谁知道，这位游子居然是在17年后才返回家族，夸克家族三代才大团圆。原因很简单，原以为b夸克质量有5吉电子伏，t夸克与它同属一代，即令质量大一点，也不过10～20吉电子伏，如c夸克质量为u夸克的3倍，而c夸克的质量与d夸克的质量应大致相当。然而正如我们知道的，t夸克的质量竟有174吉电子伏，是b夸克的35倍！大自然是怎样在捉弄我们啊！17年的辛苦、挫折、失败，个中艰辛真是一言难尽啊！

但是，你如何保证再也不会有像b夸克一样的不速之客从天而降呢？你如何知道夸克家族就只有目前已知的三代呢？

我们可以肯定地说，不会！

我们统一考察轻子与夸克，发现它们可以排成对称的三代对称模式（每代2味夸克、2味轻子）：第一代第二代第三代

这种夸克与轻子的对应性看来绝非偶然，其中一定有更深的道理。如果深究其中奥秘，实际上还有许多深义在其中。但从表面济济一堂的夸克、轻子大家族，熙熙攘攘，喜气洋洋，颇有大团圆的气象。对于此家族成员问题，物理学家早就进行了广泛而深入的讨论。现在粒子物理的标准模型实际上就应用了这种对应性，即所谓夸克一轻子的对称性。

早在1974年，量子色动力学的奠基人之一的格罗斯，就用一种复杂而有效的数学工具|——重整化群理论证明，只要在强子中的夸克存在渐近自由，“夸克”代的数目就不能超过16“代”！我们知道，所谓渐近自由，不过是在强子中的夸克彼此之间几乎没有什么作用这一实验事实的表述而已！

1978年，美国斯拉姆在国际中微子学术讨论会上宣称如果氦4（4He）原始丰度（占宇宙全部元素的总质量的份额）为0.25，则从大爆炸学说可以推断，中微子（轻子）的代数不超过4。最新的实验资料4He的丰度为0.24± 0.001，从大爆炸学说推断，相应中微子的代数为3.3± 0.12，宇宙学间接给出的夸克和轻子的代数就是3。

更重要的是，弱电统一理论给出确定夸克的“代”数的最佳方案：精密测量不带电的中间玻色子Z0的质量谱线。用纵轴表示光生（高能γ光子对撞中所产生的）的Z0的事例，横坐标表示Z0的质量（能量）。由于Z0的寿命极短约10﹣25秒，测量精度必须极高。测不准原理告诉我们，寿命越短，测定的质量（能量）的不确定性也就越大，自然很难有两次测量结果完全一样。如果测量的事例越多，测量值就会呈现钟形（高斯分布），如图中所示。

一般宣布的结果，实际是按此钟形分布的统计平均值。分布曲线的高度和宽度与Z0粒子的寿命有关。另一方面，Z0粒子的寿命与它可能的衰变“渠道”的数目有关。如果衰变“渠道”的数目越多，则寿命越短，相应分布曲线的峰值（高度）较低，而曲线宽度较大；反之，如果衰变道越少，则Z0寿命较长，相应分布曲线高度较大，而宽度较小。

z0的质量谱分布曲线与夸克代的数目

理论分析表明，如果夸克的“代”数越多，则Z0的衰变（首先衰变为不同的夸克）的渠道越多，相应的分布曲线低而宽；反之则分布曲线高而窄。因此测量Z0粒子质量谱曲线就可以确定夸克的代的数目。图中圆圈均系1989年末欧洲核子中心大型正负电子对撞机的实验数据。你看圆圈都落在相应三代夸克模型的曲线上。

实际上，同时有5个实验组工作4个多月，精密测量了10万个Z0粒子事例。对实验数据拟合分析的结果表明，夸克的“代”数应为3.09±0.09。综合以上结果，再考虑到轻子和夸克的“代”对应性，可以得出结论，夸克和轻子代的数目就是3。换句话说，我们已经发现自然界存在的全部夸克与轻子的“代”，以及所有的轻子和夸克。

新的第四代或更高代的夸克和轻子是否有可能发现呢？