【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】1976年諾貝爾物理獎官方新聞稿

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。
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編譯|葉承効

瑞典皇家科學院(The Royal Swedish Academy of Sciences)決定將1976 年的諾貝爾物理獎頒給美國史坦福直線加速器中心的伯頓・里克特(Burton Richter)教授與美國麻省理工學院的丁肇中教授,以表彰他們在發現一種新的重基本粒子中所進行的開創性研究。

以對基本粒子的研究共享諾貝爾物理學獎殊榮
今年的物理獎頒發給探究物質最基本組成單位的研究,這個單位甚至比原子與原子核還小。根據愛因斯坦著名的質能等價定律, \ E=mc^{2} ,創造重粒子需要大量的動能,而且能量必須非常集中。這次獲獎的兩個實驗是分別在兩個世界最大的粒子加速器中獨立進行。丁肇中和他的研究員將他們自己的偵測器與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器相連接。加速器的直徑約為200 多公尺,而丁肇中的團隊所使用的偵測器,長度將近15 公尺。里克特團隊的偵測器則是與位於史坦福直線加速器中心,長達三公里的直線電子加速器相連。里克特的儀器太過龐大,因此無法放在室內。在探測極微小的物體時,大型的顯微鏡是必需而且無可避免的。為了看到最小的物體,我們需要最大的偵測器。

里克特的儀器有點像旋轉木馬:一束電子與一束正子在儲存環中以極快但可準確調整的速度,以相反的方向繞圈行進。當電子束與正子束正面對撞時,電子跟正子所帶的有能量基本上上可能可以產生一個靜止不動的重粒子,這個重粒子會在極短的時間內衰變,而變成許多其他粒子。在這以前,除了已知較輕的基本粒子會存在於低能量的環境外,沒有人可以預見這個新發現。因此,這個研究計畫聚焦於從義大利弗拉斯卡蒂到美國劍橋的磁力探測器所延續下來的研究成果。即使經過多年的計畫與準備,發現新粒子的時刻仍是相當突然且出人意料。電子束與正子束的對撞速度可以有上千種不同的設定數值,但是要出現新粒子,卻只有那麼一個特定的數值。在1974 年11 月10 日,里克特的團隊設定了正確的速度,並在大量的對撞事件中發現了新粒子,並將它命名為「ψ 粒子」。ψ 粒子最特別的是它衰變得相當相當慢,換句話說,也就是它的壽命比預期大了1000倍。

丁肇中的實驗則是相當不同的情況。丁肇中讓高速質子撞擊在靜止不動的鈹靶上,這時質子的轟擊角度則是比速度的設定更重要。丁肇中的團隊希望透過粒子衰變而產生的電子與正子對來尋找新的重粒子。丁肇中與他的團隊這幾年來一直在這個領域中獨占鰲頭,也持續研究著那些較輕、較為人所知的粒子如何產生電子與正子對。透過研究這些速度飛快的衰變後的產物,他們可以計算這些粒子衰變前的性質。這個研究的挑戰在於如何將極少量的電子/正子組合從數以百萬計的大量不想要卻又無法避免的粒子中區分出來。這就像是要在即將起飛的噴射客機旁,試圖要聽到蟋蟀的鳴叫聲一樣的困難。因此這個實驗需要巨大的偵測器,並進行許多的細部調整,同時包圍在相當大量的輻射屏蔽中。此時才清楚知道在撞擊的過程中,會不時地產生重粒子。他們將其命名為「J粒子」。

1974 年11 月11 日,里克特與丁肇中在史坦福直線加速器中心會面,從而發現兩個研究團隊發現的是同一種粒子。他們在同一天公布這項發現,並於隨後的一周內發表在科學期刊上。不久之後,這項發現就得到義大利弗拉斯卡蒂與西德漢堡德國電子加速器的證實。

在過去的16 年中,科學界已經發現許多新的基本粒子,這些粒子都表現出與已知粒子家族的關聯性。這次所發現的新粒子與以往的粒子都不一樣,代表了一個全新粒子家族的出現,也開創了新的研究領域。這些粒子是否還可繼續解構,成為更小的物質單位?數個世紀以來,物理學家與化學家都致力於尋找物質的最小單位。對於最小單位的認知,也從原子到原子核,慢慢演變成現在所認識的基本粒子。經過幾年的努力,現今的物理學家已經將這個極限逐漸縮小,即便是所謂的「基本粒子」,似乎也都有可以再解構為更小單位的跡象,也就是所謂的夸克。過去認為三種不同性質的夸克便足以解釋這些基本粒子,對但是許多的研究人員更認為,要了解新的J /ψ 粒子的結構,我們非常需要第四個夸克。

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