【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹

●7/3【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:「我所經歷的實驗物理

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。
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撰文|張忻郁

丁肇中教授1936年出生於美國密西根州的安娜堡 (Ann Arbor) 。他的父母為研究工程學的丁觀海教授和專攻心理學的王雋英教授,當時都在密西根大學訪問。他們全家回到了中國後,由於當時正逢抗日戰爭,生活很不穩定,因此並未接受完整的教育。直到十二歲來台,丁肇中才開始進入正規教育體系。他先後就讀竹南國小,台中大同國小,成功中學,建國中學,以及成功大學。在成大只待了一年,便隻身前往美國,進入密西根大學,於1959獲得物理與數學學士學位,1960及1962年分別獲得物理碩士和博士學位。

1963年丁肇中獲得福特基金會的資助,在歐洲核子物理中心(CERN)進行粒子物理實驗。1965年他回到美國,在哥倫比亞大學擔任助理教授。這個期間他開始對量子電動力學的相關試驗感到興趣,尤其對哈佛和康乃爾團隊的一個實驗結果特別關注。該實驗測量高能光子撞擊碳靶後產生的正負電子對,發現結果與量子電動力學的預測不符。1966年丁肇中離開哥倫比亞大學,轉往德國電子同步加速器中心(DESY),他設計了一套靈敏的儀器,利用DESY的高能光子束重做這個測量,他的結果顯示哈佛/康乃爾的實驗不正確,量子電動力學並沒有錯誤。

丁肇中於1969年獲聘為麻省理工學院教授,並於1977年獲選為Thomas Dudley Cabot 講座教授。這個期間,他持續對量子電動力學感到興趣,並進行了一系列的實驗,利用光子在原子核附近產生正負電子對,以研究短距離下的電磁作用力。同時他也運用類似的方法研究重光子(與光子類似,但是帶有質量的粒子)的性質。這個歷程讓他熟悉了如何處理高亮度的實驗,能在超過一億倍的強子背景中正確的找到正負電子對,並精確測量它們的動量和不變質量。這項技術是發現J粒子的關鍵。

當時已觀測到的重光子共有三種,質量分別是0.760, 0.783, 和1.0195 GeV(10億電子伏特)。丁肇中自述:”It is inconceivable to me that there should be only three of them, and all with a mass around 1 GeV” (我無法想像只有三種重光子,質量都在1GeV左右)。1971年起,丁肇中和他的團隊成員開始構思一個大型的實驗,以尋找質量更高的重光子。他們選擇用高能質子撞擊鈹靶來產生重光子,並偵測重光子衰變後的正負電子對。這個實驗於1973-1974年間進行,最後發現了一個質量為3.1GeV的重光子,丁肇中將它命名為J粒子。J粒子的發現整合了當時相當混亂的粒子物理理論,被稱作「11月革命」。很快的,丁肇中於1976年獲得諾貝爾獎,表彰他的這項重要工作。

1975年德國同步電子加速中心(DESY)開始建造當時世界上能量最高的正負電子對撞機PETRA,並公開徵求實驗方案。丁肇中和他的團隊提出了Mark-J實驗的構想,並獲選為PETRA上的四個實驗之一。Mark-J在1978年開始運行,隨即在1979年發現了強子的三噴流事例,是為膠子存在的證據。膠子是傳播強作用力(原子核間的作用力)的媒介,是標準模型的重要一環。在隨後的幾年內,Mark-J實驗研究QCD和QED的各種性質,特別是膠子有關的物理。這些結果對於建構粒子物理的標準模型有很大的作用。

在Mark-J的後期,CERN開始構想一個新的高能正負電子對撞機,稱為LEP。其目的是研究標準模型所預測的W和Z粒子。這兩種粒子是傳遞弱作用的媒介。整個計畫在1981年啟動。丁肇中針對LEP,提出了L3實驗構想,並順利被選為四個大型實驗之一。L3實驗經過近10年的建造期,於1989年與LEP同步完成,開始收集數據。L3的物理結果涵蓋標準模型的各個面向,基本上驗證了標準模型所有的物理預測。1989到1995年間,L3精確測量了Z粒子的特性,得出微中子只有三種的明確證據。1996至2000年間,LEP的能量逐步增高,L3實驗測量W粒子的性質。這些實驗成果,讓標準模型有了一個非常穩固的基礎。另外值得一提的是,L3和其他三個LEP的實驗,透過對Z粒子的精確測量,間接的推導出希格斯粒子的質量最可能在100GeV附近。20年後,LHC果然在125GeV處發現這個粒子。

L3實驗後期,丁肇中開始尋找下一個實驗的可能性。其中之一是美國於1990年代提出的超導超級對撞機(SSC)。他提出一個在SSC上的大型實驗計畫,稱為L*。這個實驗計畫為SSC所接受,成為兩個主要的實驗計畫之一,但是尚未開始建造,就因為政治因素而被取消。過了幾年,SSC整個計畫因管理不善而被美國政府終止。這時丁肇中已經將目光轉向宇宙射線。大自然提供大量的高能宇宙射線,是研究基本粒子物理非常好的工具。然而,宇宙射線被大氣層阻隔,必須將探測器放在大氣層之外,才能有效的運用。因此,宇宙射線被發現後的100年來,大氣層外一直沒有一個大型而精確的宇宙射線探測器。1994年開始,丁肇中設計了一個放在國際太空站上的粒子物理探測器,稱為AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)。

為了能在太空運行,AMS的儀器需求超過當時技術所及,因此所有的探測元件與電子系統都由團隊自行設計。1998年AMS的原型機(稱為AMS-01)由發現號太空梭載運,在太空運行12天,驗證了大型磁譜儀在太空運行的可行性。隨後用了十二年的時間建造完整的AMS探測器(AMS-02),於2011年5月發射至國際太空站,隨即開始收集宇宙射線數據。AMS-02每年紀錄約一百六十億個宇宙射線事例,實驗結果大幅提高人類對宇宙射線的了解,也對反物質和暗物質的研究提出全新的數據。AMS預期將運行至2025年以後(太空站的年限),會發現什麼新現象,物理界拭目以待。

丁肇中研究成果斐然,獲獎無數。除了諾貝爾獎外,他獲得美國的勞倫斯獎、Eringen獎(1977),義大利的De Gasperi獎(1986)、Golden Leopard獎、Gold Medal of Science, 以及美國太空總署頒發的公共服務獎。他是美國國家科學院院士、美國藝術與科學院院士,中央研究院院士,以及許多國家的科學院院士。他也獲頒許多大學的榮譽學位。

丁夫人蘇珊.馬克斯.丁女士也任職麻省理工學院,長期處理丁院士實驗相關的行政問題,是研究團隊的重心之一。丁肇中有二女一男,共三名子女。

 

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