小林诚

1972 年春天，小林诚刚拿到博士学位，搬到京都做助手。那时人们普遍相信夸克只有三种，第四种只在宇宙线照片里露过一点影子。到这年 8 月底，他和益川敏英写完了一篇短文，结论是：要让已知的规范理论装得下 CP 破坏，夸克至少得有六种。

这篇论文发表时几乎没人注意。此后三十年，另外三种夸克一种接一种被找到；而最后替它盖章的实验装置，正是小林本人在筑波主持建造的。

疏散、表兄与一本书

小林 1944 年生于名古屋，正值战争末期，第二年就被送到三重县的川越村躲空袭。战争结束后不久，当医生的父亲去世，他才两岁，对父亲没有任何记忆。回到名古屋，老家已化为灰烬，母子俩寄住在外祖父海部家——同住的表兄海部俊树后来当了日本首相，另一位表兄海部宣男是天文学家，做过日本国立天文台台长。

他自称中小学「没有什么特别的事」，高中天天打网球，打得不怎么样，却一直打到成年。真正把他引向物理的，是爱因斯坦与英费尔德合写的《物理学的进化》。他后来说，记不清当时读懂了多少，但兴趣就是从这本书开始的。

坂田学派

小林选名古屋大学，除了离家近，还因为那里有坂田昌一。坂田 1956 年的复合模型把质子、中子、Λ 粒子当作一切强子的三块基石，名气大到高中生都知道。后来夸克模型取代了它，但「基本三重态」的想法正源于此。

坂田研究室的风气很自由：研究生与教员平起平坐，一起参加讨论。小林在这里遇见了比他大四岁的益川敏英——他本科时，益川还是帮低年级辅导功课的研究生。读研后两人开始合作，题目是用夸克模型研究手征对称性。坂田在他读研期间去世（1970 年）。

坂田门下还做过两件后来很要紧的事：1962 年牧二郎、中川昌美和坂田写下了中微子的混合，今天轻子混合矩阵的「MNS」三个字母里就有牧和坂田；片山泰久等人则在同一框架下讨论过第四种基本粒子。小林在诺贝尔演讲里专门用一节讲坂田学派，说他在那里学到的是「抓住整体图景」的重要。

1971 年的一张乳胶照片

1971 年，丹生洁的小组在暴露于宇宙线的乳胶室里拍到一对带拐折的径迹——像是某种新粒子成对产生、飞行极短时间后衰变，估计质量 2 到 3 GeV、寿命约 10⁻¹⁴ 秒。坂田组的小川修三立刻指出，这可能就是名古屋模型里预留的「第四个成员」，用今天的话说是粲粒子。

包括小林在内的几个日本小组随即研究起四夸克模型。这段经历让他们比大多数同行更早认真看待「夸克不止三种」。不过小林也坦白：他们没能预言三年后被发现的 $J/\psi$ 粒子那异常长的寿命。

四种不够

1972 年 3 月，小林拿到博士学位。博士后职位难找，他幸运地在 4 月到了京都大学当助手，与早两年去那里的益川重新合作，题目换成了 CP 破坏。

CP 破坏是 1964 年克罗宁与菲奇在中性 K 介子衰变里发现的：粒子与反粒子的行为有细微差别。1971 年特霍夫特证明了规范理论可以重整化，温伯格–萨拉姆的弱电统一理论突然成了认真的候选。小林和益川的出发点很朴素：如果规范理论能自洽地描述所有相互作用，CP 破坏就应该也在里面。于是他们去查，在可重整化的规范理论里，CP 破坏需要什么条件。

当时理论上更受青睐的是格拉肖、伊利奥普洛斯、马亚尼的四夸克方案。两人发现，这种方案容不下 CP 破坏：夸克之间的混合矩阵里即使有复数，也能通过重新选取夸克场的相位全部消掉。放宽条件、换各种排法，结论不变——四种夸克造不出现实的 CP 破坏模型。小林认为这本身就是一个很强的结论：一定还有未知的粒子。

六种夸克，只是选项之一

论文接着列出几种引入新粒子的办法，六夸克模型是其中之一：三代夸克时混合矩阵变成 3×3，重定相位之后总会留下一个消不掉的复相位，CP 破坏便自然出现。

小林在诺贝尔演讲里说得很克制：他们觉得这个机制有趣而优雅，但当时「没有别的理由把六夸克模型从其他可能中挑出来」——粒子足够多，破坏 CP 并不难。论文 1973 年 2 月登在京都出版的《理论物理进展》上，此后两年几乎无人问津。

让它脱颖而出的是后来的实验。1974 年 $J/\psi$ 粒子被发现，确认了第四种夸克——粲，但这对六夸克模型影响不大；1975 年佩尔发现 $\tau$ 轻子，轻子有了第三代，夸克的第三代便呼之欲出，人们这才开始注意这篇论文；1977 年 $\Upsilon$ 粒子带来了第五种夸克——底；第六种顶夸克直到 1995 年才找到，那时六夸克模型早已成为标准。

这个 3×3 矩阵今天叫卡比博–小林–益川矩阵（CKM 矩阵），因为它的左上角正是卡比博 1963 年引入的那个混合角。

从理论部到实验组

1979 年小林调到筑波的高能物理研究所（KEK）理论部，同年获仁科纪念奖。他一到就参与起草下一代对撞机 TRISTAN 的方案。TRISTAN 1987 年运行，没能找到顶夸克，1995 年关闭。1982 年底他在欧洲核子研究中心待了三个月，正赶上 W 粒子被发现。1985 年他与益川同获美国物理学会新设的樱井奖。

1989 年，理论家小林出任 KEK 物理第二研究系主任，开始领导一个实验组。他们的目标是在 TRISTAN 的隧道里建一座 B 工厂：大量产生含底夸克的 B 介子，去检验六夸克模型预言的 CP 破坏。此前已有人指出，B 介子里的 CP 不对称应当很大，比 K 介子里明显得多。

B 工厂

KEKB 1994 年获批开工，1999 年开始实验；几乎同时，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的 PEP-II 也建成了，探测器分别叫 Belle 和 BaBar。两台机器都让能量不等的电子与正电子对撞，产生的 B 介子带着速度飞出，衰变前走过的距离就能换算成时间——为此顶点探测器要把衰变位置量到约 10 微米。两台加速器的亮度都超过了 10³⁴ cm⁻²s⁻¹，创了纪录。

2001 年夏天，两个合作组在同一期《物理评论快报》上相继发表：中性 B 介子里有大的 CP 破坏。此后数据越积越多，各种测量在幺正三角形的参数平面上重叠到一小块区域，六夸克模型能同时解释全部结果。

2003 年小林出任 KEK 基本粒子与原子核研究所所长，直接负责包括 B 工厂在内的实验。他在演讲结尾说，能和同事们一起做 B 工厂实验，是令他难忘的经历。

诺贝尔奖与未解之题

2008 年，小林与益川分享诺贝尔物理学奖的一半，另一半授予南部阳一郎。颁奖词是「发现对称性破缺的起源，并由此预言自然界中至少存在三代夸克」。

小林在演讲里也指出了模型的边界：B 工厂表明夸克混合是已观测到的 CP 破坏的主要来源，但留有少许余地给新物理；而宇宙中物质压倒反物质，所需的 CP 破坏远大于六夸克模型能给的。有人猜测答案在中微子一侧——那正是坂田学派 1962 年最早写下「混合」的地方。