【物理史中的十月】1955 年 10月 19 日:宣布發現反質子

1955 年 10月 19 日:宣布發現反質子

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 10 月)

二十世紀初期,科學家以為粒子的能量一定都是正數。但當 1928 年狄拉克(Paul Dirac,1902-1984)以方程式說明相對論性電子在電磁場內的行為時,看法就改變了。狄拉克提出說,反粒子可能和粒子都存在,兩者成對,質量相同,只是電荷和能量相反。

在狄拉克的研究之後,科學家開始競爭,要找出實驗的方法來證明反粒子的存在 ─ 這過程只花了 4 年的時間。1932 年 8 月,一位年輕的加州理工學院的博士後研究員安德森(Carl D. Anderson,1905-1991)記錄下一張歷史性的照片:帶正電荷粒子通過雲霧室的軌跡。它既不是質子,也不是朝反方向運動的電子;它是反粒子,後來被稱之為正電子。儘管最初有其他物理學家質疑,但他的結果隔年就得到了證實。此發現很快地為安德森於 1936 年獲得諾貝爾獎,時年 31 歲,是最年輕的得獎者之一(狄拉克早 3 年獲得諾貝爾獎)。

狄拉克的理論成功後讓物理學家下結論說,他的理論也可應用到質子上 ─ 也就是說一定有反質子。但當時已有的加速器尚不夠強大,無法產生反質子。因此,勞倫斯(Ernest O. Lawrence)在他加州柏克萊的「放射實驗室」開始建造一個同步加速器,可以生產 20 億電子伏特,足以用來產生質子-反質子對。這個機器叫做貝伐加速器(Bevatron),因為在當時 10 億電子伏特縮寫的單位是BeV(現在稱之為GeV)。

當時有兩個不同的團隊負責尋找反質子的任務:洛夫格倫(Edward Lofgren)領導一個團隊,塞格列(Emilio Segre)和張伯倫(Owen Chamberlain)帶領另一個。貝伐加速器有高電壓,可以產生反質子。他們的挑戰是,要在千萬分之一秒碰撞中所產生的反質子,在和質子接觸相互湮滅後所產生大量的粒子中去偵測反質子。他們下結論說,他們必須很精確地測量兩個性質:動量和速度,才能基於質量和電荷來做認定。

兩個團隊都選用一個精心製作的磁四極透鏡系統來測量動量,當質子束和銅標靶碰撞時,粒子碎片會四處飛散,而只有那些在特定動量區間的粒子碎片可以通過透鏡系統,讓每一個負粒子偏轉通過準質儀孔,正粒子則被擋下來。

Photo: PICRYL’s archive of photos
1965年10月12日,西班牙的訪客卡爾玻(Manuel Calvo)和張伯倫(中)、塞格列(左)合照

關於速度測量,物理學家使用閃光計數器來測定粒子經過兩個相距 12 公尺偵測器之間的時間。這可以幫他們分辨 π 介子和反質子,因為前者可以快 11 奈秒走完全程。然而,也有可能兩個 π 介子類似一個反質子的訊號,因此物理學家也會使用兩個契忍可夫輻射(Cerenkov radiation)偵測器,一個使用液態氟碳化物當介質,另一個使用石英。第一個將測量所有比反質子快的粒子速度,而第二個設計用來偵測那些速度和所預測反質子的速度完全相同的粒子。

為了防止偵測錯誤,他們還會配置另一檢驗,當作最後一道保護。它使用照相乳膠把顯示出質子-反質子對相互湮滅事件的星型訊號挑出來。

兩個團隊於 1955 年 8 月開始輪流實驗運作,雖然貝伐加速器於 9 月 5 日,塞格列和張伯倫第二輪的中途故障,但一修復好,洛夫格倫即慷慨地讓出他的質子束排定時間給他們,因此他們可以完成實驗。結果那是具決定性的一輪,得到反質子的第一個證據。

為要從成千個粒子反應中分析所有資料,團隊招募操作員,例如研究生的太太,來和這大的測量機器(綽號「怪物」)一起工作,追尋粒子的蹤跡。操作員使用腳踏板將資料打孔在 IBM 的卡片上,由早期的電腦重建那些粒子蹤跡,計算出每一個粒子的動量和能量,讓他們能辨識所產生的粒子。最後,再檢查乳膠影像以確認每一個湮滅的事件。

總計塞格列和張伯倫的實驗偵測到 60 個反質子,團隊於 1955 年 10 月 19 日的記者招待會宣佈此重大的發現,論文於 11 月 1 日在《物理評論快報》(Physical Review Letters)發表,距論文送出後僅 8 天。當然,此發現成了全國頭版新聞,雖然有當地《柏克萊報》(Berkeley Gazette)的一位記者誤解了物質/反物質湮滅的本質,而宣稱它是「令人擔憂的新發現」,很顯然地,他相信假如人接觸到反質子的話,那個人會爆炸。

塞格列和張伯倫兩人都因此發現獲得了 1959 年諾貝爾物理獎。至於貝伐加速器,它又持續運轉了 40 年,於 1971 年重新改造成重離子注入器。質子束正式於 1993 年關閉,機器最後於 2011 年拆除。

Photo: Lawrence Berkeley Nat’l Lab
柏克萊物理學家洛夫格倫和馬可密倫(Edward McMillan)在貝伐加速器屏蔽板上,馬可密倫是同步加速器的共同發明者。

 
譯者註:從場論或數學的角度來看,狄拉克方程的負能解對應的就是反粒子;但反粒子作為真實粒子,其能量當然是可測量的正值。

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