寻找宇宙中的基本粒子

丁肇中，世界著名美籍华裔实验物理学家。1956年丁肇中入美国密执安大学学习，1960年获硕士学位，1962年获博士学位。1963～1964年在欧洲核研究中心工作，1964～1967年在美国哥伦比亚大学工作。1967年起任美国麻省理工学院物理系教授，1977年当选为美国科学院院士。丁肇中主要从事高能实验物理、粒子物理、量子电动力学、γ辐射与物质的相互作用等方面的研究。他最杰出的贡献是在1974年，与里希特各自独立地发现了J/ψ粒子。为此，他们共同获得了1976年诺贝尔物理学奖。

如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的30年里所亲自经历的。

第一个故事是测量电子的半径。现代电磁学的理论认为电子的半径为零。1964年，美国麻省理工学院和哈佛大学建造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1000英尺（1英尺为0.3048米）。当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。这是一个非常重要的实验。1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的。实验的结果和理论的预期的比值等于1，等于1即是说电子的半径等于零，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的，所以我的第一个体会是不要盲目从专家的结论。

第二个故事是关于新粒子家族的发现。到了20世纪70年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释。我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器，它的灵敏度要达到新夸克/已知夸克=1/100亿。何谓灵敏度是一百亿分之一呢？南京下雨的时候，大概每秒钟有100亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到。但这个实验不受物理界的欢迎。第一，当时的所有物理现象都可以用三种夸克来解释，所以人们不需要第四种夸克。第二，没有人相信这样困难的实验可以做成，因此这个实验几乎被当时所有的加速器实验室拒绝了。后来，终于在美国的布鲁克海文国家实验室用AGS做了这个实验。我们发现了一种很新的粒子，完全想象不到的一种粒子。这种粒子在正电子负电子质心系能量到达31亿电子伏特的时候，突然就产生一个很高的峰。根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的。说明找到了一种粒子，这是J粒子。所以我们完成了布鲁克海文国家实验室的实验以后，发现了一种全新的夸克。这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知粒子的寿命长1000倍。这种长寿命的重粒子可能是新的夸克家族成员，所以，以前的人认为只有三种夸克的看法是错误的。当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了六种。因此我的第二个体会是永远要对自己有信心，做你自己认为正确的事，别人反对是别人的事。

第三个故事是关于1979年胶子的发现。大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送。在质子里有不同的夸克，夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递。那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实验。在做这个实验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如果这样的话就会出现三个喷注的现象。果然，当正负电子对撞的时候，当胶子能量很小的时候，只有两个喷注；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷注现象。三个喷注现象的存在就表示胶子是存在的。当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍。虽然最初这套实验仪器并非为这个实验设计的，但却获得了意外的结果。所以第三个体会就是对意料之外的现象要有充分的准备。

第四个故事就是寻找反物质的宇宙。这在国际空间站上叫做AMS。反物质的存在，是由狄拉克在理论上推导出的，他因此在1933年12月12日获得诺贝尔奖。他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于m×m，也等于（-m）×（-m）。狄拉克问“-m”是什么意思？从这儿就推导出反物质的理论，这也表示拿诺贝尔奖是很容易的。因为现在我们从实验上知道，所有的粒子有反粒子，我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度非常高，因为大爆炸以前什么都没有，因此大爆炸中有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多。问题是经过150亿年之后，由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道在宇宙中有氦原子、有碳原子在太空中漂行，那么有没有反物质所组成的宇宙也产生反氦原子和反碳原子呢？所以，我们从实验上需要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应该在太空中找到反氦原子、反碳原子。反氦原子、反碳原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子和反原子有相反的电荷，所以寻找原子和反原子必须用磁铁来测量在磁场内的轨道，正的向一个方向偏转，负的向另一个方向偏转。在太空中探测它们这就是我现在所做实验的目标，这个实验称为AMS，它是空间站上唯一的物理实验。过去四十年中，经过观测紫外线，X射线，γ射线而发现了许多重要的天文现象。但在宇宙中除了光子之外，还有带电的粒子。然而至今还没有一个精密的磁谱仪在太空中观测带电粒子，其主要原因在于无法将超导磁铁放到太空中运行。第一期AMS（01）于1998年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，可能过了三五年，对这种现象了解以后，就会觉得很自然了，这是我最简单的解释。美国航空航天局决定在2003年5月再次将AMS发射升空，AMS将作为第一个科学实验搭载安装在空间站上。AMS（01）原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS探测能力，在太空中长时间运行并采集更多的数据。超导磁铁用于太空是高技术发展的一个范例，不多久前还认为是不可能的。我们的超导磁铁是在英国和瑞士制造的，能在空间站上工作三年。AMS探测器还包括若干子探测器，它们能够在太空中精确测量光子、正负电子、正反质子、碳原子核和反碳原子核，氦原子核和反氦原子核等。到了2003年晚上，天晴的话，可以看到这个空间站，因为它非常大，可以看到它像星星一样转，到那时你会记住上面有一个AMS的实验。它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方？第二个问题是90%的宇宙是观察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，实验到底会发现什么呢？这是AMS实验要回答的。

现在向大家介绍一下在过去50年内加速器的发展。最早的加速器是袁家骝教授所用的布鲁克海文国家实验室的加速器，至今快50年了，原定的目标是做π质子相互作用实验，袁先生做了非常重要的贡献。除了这以外，更重要的是发现两种中微子。美国费米国家实验室在芝加哥，原来是做中微子物理实验，却发现了第五种、第六种夸克。斯坦福直线加速器原来是做电子质子弹性散射和量子电动力学实验，结果发现的是部分子和第三种轻子。日内瓦的ISR质子对撞机，原目标是找Z和W，结果发现是质子总反应截面的增加。所以要做加速器，先找理论物理学家帮你写一个目标。根据过去50年的经验，原来的目标和实验发现完全是两回事情。因为这是最先进的科学，是没有办法预见的。所以最后一个体会就是，要实现一个目标，最重要的是要有好奇心。对自己做的事情感兴趣，要勤奋地工作！

（本文是丁肇中教授在“吴健雄袁家骝科学讲座——大师系列”上的首场演讲）