物理群星
1974 粒子物理

J/ψ 粒子的发现

The Discovery of the J/ψ Particle

两个方法完全相反的实验,在同一天宣布找到同一个粒子——它窄得离谱,而正是这份「窄」证明了第四种夸克的存在。

当时的困境

1974 年秋天,粒子物理正处在一个尴尬的中间状态。

夸克模型已经提出十年,用上、下、奇三种夸克能把当时已知的强子归好类(见本站「夸克模型」页),可夸克本身谁也没见过——从来没有人分离出一个分数电荷的粒子。相当一部分物理学家把夸克看成一种记账用的数学工具,而不是真实存在的东西。

理论那边还欠着一笔账。1970 年,格拉肖、伊利奥普洛斯与马亚尼指出了一个漏洞:若只有三种夸克,中性 K 介子衰变成一对缪子的概率应该比实测大好几个数量级。他们的补救办法是引入第四种夸克——粲夸克,让多余的贡献互相抵消。

这个论证在逻辑上无懈可击,可它要求凭空多出一种从没见过的夸克,多数人并不当真。

洞见时刻

1974 年 11 月 11 日,两篇论文同时投出,报告的是同一个粒子。

丁肇中在布鲁克海文用的是固定靶:让高能质子轰击铍靶,在末态里找一对正负电子,用一台双臂谱仪测出这对电子的不变质量。这台谱仪的质量分辨率做到了千分之一量级——在当时是极端的追求,也正是这份分辨率决定了结局。3.1 GeV 处冒出一个尖峰。

峰窄得不像话。 那个能量区间里的强子共振,宽度通常在 100 MeV 上下;这个峰的宽度受限于仪器分辨率,实际值后来测出只有约 93 keV——小了三个数量级。丁肇中不敢发表,反复检查了几个星期,怀疑是仪器假象。他给它取名 J。

里克特在斯坦福走的是完全相反的路:用正负电子对撞机 SPEAR 扫描能量,看总截面随能量怎么变。扫到 3.105 GeV 附近时,截面猛跳了约一百倍,而且一调开就掉回去。他们把能量步长细分再细分,确认这是一个极窄的共振,取名 ψ。

两组人 11 月 10 至 11 日在斯坦福碰面,才知道对方在做同一件事。两篇论文背靠背发表在同一期《物理评论快报》上。这个粒子从此叫 J/ψ——粒子物理里唯一一个带着两个名字的粒子。

真正的物理在于那份「窄」。 寿命与宽度成反比,窄意味着它活得异常长——按强作用的标准,长了一千倍。为什么它不肯痛快地衰变?

答案是:它是一个粲夸克与一个反粲夸克组成的束缚态,而它的质量低于产生一对含粲介子所需的门槛。粲这个新的量子数在强作用中守恒,于是它没法把两个粲夸克分别带进两个末态粒子里,只能让它们互相湮灭——而这个通道被强烈压低。

这一下同时钉住了三件事:粲夸克存在;夸克是真实的,因为一个「记账符号」不会有这么精确的谱;而衰变被压低的程度还与强相互作用在短距离上变弱的性质相符,给刚提出不久的量子色动力学添了一条旁证。

涟漪效应

此后几个月被称作「十一月革命」。夸克模型从一个有争议的唯象方案,变成了共识。

进展来得极快:1976 年含粲的 D 介子被找到,粲夸克有了「裸露」的形态;同一时期珀尔在 SPEAR 的数据里认出了 τ 轻子,意味着还有第三代;1977 年底夸克被发现;标准模型的三代结构就此成形。

诺贝尔奖 1976 年就颁给了丁肇中与里克特,距离发现只有两年,在诺奖历史上属于最快的一档。

粲偶素成了强相互作用的「氢原子」。 一个粲夸克与一个反粲夸克质量较大、运动较慢,可以用类似原子物理的方式处理,它的能级谱因此成了检验强相互作用势的最佳实验室——这条线一直延续到今天的格点量子色动力学计算,以及近年在同一族谱里冒出来的那些不属于常规介子的「奇特态」。

如果没有它

标准模型的第二代夸克缺一半,GIM 机制没有实验依托,而「夸克是不是真的」这个问题恐怕还要争上很多年。

它也改变了实验的做法。两台设计思路截然相反的机器在同一天给出同一个答案——固定靶擅长在海量本底里挑出罕见的末态,对撞机擅长扫描能量、把能量全部用于产生新粒子。此后半个世纪的高能物理,一直是这两条路线交替领跑。

丁肇中在 1976 年的诺贝尔演讲上用中文致辞,是诺贝尔奖史上第一次。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.奥贝尔、贝克等(丁肇中组)《一个重粒子 J 的实验观测》,《物理评论快报》第 33 卷第 1404 页(1974)
  2. 2.奥古斯坦、博亚尔斯基等(里克特组)《正负电子湮灭中一个窄共振的发现》,《物理评论快报》第 33 卷第 1406 页(1974)
  3. 3.格拉肖、伊利奥普洛斯与马亚尼《具有轻子-强子对称性的弱相互作用》,《物理评论 D》第 2 卷第 1285 页(1970)——粲夸克的理论动机