【物理史中的十一月】1974 年 11 月:魅夸克的發現

1974年11月:魅夸克的發現

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2017 年 11 月)

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丁肇中在布魯克赫文國家實驗室

雖然夸克只不過是標準模型粒子家族中的一支,但其中魅夸克的發現卻開啟了一系列的突破,統稱為「十一月革命」──它幾乎同時由兩個完全不同的人所領導的兩組不同團隊,使用不同的方法,在兩個不同的加速器所發現。

1930 年代初期前,物理學家以為他們對組成物質的成分已有完整的圖像:電子、質子、中子、微中子、以及和它們相對應的反粒子。然而,1936 年重量級電子「緲子」的發現,像一顆曲球,大大地出乎預料,讓科學家非常困惑,當年拉比(I. I. Rabi,1944 年諾貝爾物理獎得主)說得貼切:「那是誰訂購的?」而隨著物理學家繼續以更高的能量碰撞粒子,他們發現越來越多的粒子。

直到 1964 年才出現解釋的理論,那一年,蓋爾曼(Murray Gell-Mann,1969 年諾貝爾物理獎得主)和次外格(George Zweig)提出說,所有這些新粒子事實上都由更小、更基本的叫做「夸克」的粒子所形成的不同組合。「夸克」來自愛爾蘭作家喬伊斯(James Joyce)的長篇小說《芬尼根的守靈夜》(Finnegan’s Wake)中一句知名無意義詩句〈Three quarks for Muster Mark!〉。他們也推測可能有第四個夸克,但於 1970 年,格拉肖(Sheldon Glashow,1979 年諾貝爾物理獎得主)、伊略普洛斯(John Iliopoulos)、和梅安尼(Luciano Maiani)明確對第四個夸克存在做了預測,以用來解釋尚未發現的預期粒子作用,它為即將到來的實驗發現奠下了基礎。

在紐約長島布魯克赫文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的丁肇中領導一個找尋粒子的實驗,在實驗中,高速的質子被射至標靶鈹,以產生大量的新粒子,之後使用磁場和探測器的混合來過濾有趣的結果。

丁肇中的雙親是中國人,他們在美國密西根州安納保訪問期間早產生下了兒子,丁肇中於是成為美國公民。他們之後回到中國,但日本的入侵中斷了丁肇中的教育,在12歲之前他主要都在祖母的監督下居家學習。1949 年,丁肇中全家移居台灣,20 歲時,他回到美國進入密西根大學學習,1962年獲得博士學位。丁肇中先在哥倫比亞大學任教職,之後又去麻省理工學院任教。他的團隊使用布魯克赫文的交錯梯度同步加速器(AGS)做實驗,因為這個加速器可以生產更高的能量。

在這同時,在美國另一邊的史丹福大學,芮赫特(Burton Richter)領導一個團隊在找尋夸克。芮赫特於 1931 年出生於紐約皇后區,他大學在麻省理工學院就讀,不確定要讀物理或是化學,但很快地選擇了物理。他在麻省理工學院繼續讀研究所,最終選定研究粒子物理。在獲得博士學位後,芮赫特到史丹福大學任教,很快地在那裡參與了一個直徑 80 公尺叫做SPEAR(Stanford Positron Electron Accelerating Ring)的加速器的建造。1973年建造完成後,它可以在環內反向加速電子和正電子束達 40 億電子伏特。

在布魯克赫文的加速器是加速質子,但質子並非基本粒子;電子才是,因此史丹福的物理學家認為他們的偵測方式比較理想。類旋轉盤的儲存環加速電子束,以及反向的正電子束,之後讓它們碰撞的能量會產生大量的新粒子。這些粒子束被導入基本是拉塞福(Ernest Rutherford)原始的散射實驗的放大版,但在此情形下改使用液態氫和氘做為標靶。

在 1974 年暑假期間,兩個團隊分別各自找尋他們的標的物。因為夸克無法獨自存在,所以是以含有魅夸克和反魅夸克的介子形式發現的。在史丹福國家加速器實驗室,芮赫特的團隊在數據中發現大量的凸出區域(共振),顯示出新粒子魅夸克的存在,它的生命週期比預期的要長很多。

芮赫特和丁肇中於 11 月的會議中在史丹福直線加速器中心(SLAC)比較雙方的記錄,知道他們個別的團隊都發現了第四種味的夸克。他們很快地共同宣布,兩個團隊都大約一個星期後發表論文,詳細說明他們各自的發現。芮赫特稱他的為「psi(ψ)粒子」,因為它衰變的型式包括4個粒子在磁場彎曲的樣子看起來就像希臘的字母「psi(ψ)」;丁肇中稱他的為「J 粒子」,因為那個字母和他的中文姓看起來很相似。他們妥協把兩者組合一起,因此魅夸克就正式叫做 J/ψ 粒子。

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史丹佛大學的SPEAR加速器

芮赫特和丁肇中於 1976 年共享諾貝爾物理獎,「因為他們在發現新的重基本粒子上的開創性研究」。由於此發現而有完整的兩代粒子:第一代是電子和上、下夸克;第二代是短生命期的緲子和魅、奇夸克。

然而,大自然還隱藏有更多的驚奇,在幾年內,史丹福直線加速器中心的科學家發現了 τ 輕子,引發找尋 2 個不同味的夸克。費米實驗室的兆電子伏特加速器(Tevatron)以更高的能量來碰撞固定靶的質子,然後檢視它們明顯「凸起」的統計數據,成功於 1977 年證實 Y(upsilon,ϒ)介子(由底夸克和反底夸克所組成)的存在,而發現了底夸克。但費米實驗室的科學家又花了將近 20 年,一直到 1995 年才找出難以捉摸的頂夸克,它比原來預期的更重,跟金的原子核一樣重1

至於魅夸克,它持續令科學家驚訝。2002 年,費米實驗室的魅夸克重子分光計(SELEX)合作計劃宣布他們偵測到了一個帶單一電荷,雙倍魅的粒子,是由一個下夸克和兩個魅夸克所組成。困難的是:其他的實驗卻做不出這樣的粒子。2017 年,瑞士大型強子對撞機(LHC)的大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)的探測器發現了罕見的粒子組合:一個帶雙電荷,雙魅的Xi(Ξ)粒子,由一個上夸克和兩個魅夸克所組成。大型強子對撞機底夸克實驗的粒子也比魅夸克重子分光計所測得的粒子重不少。或許其中一個結果是錯的2──兩者的分析都很小心,也很完全──或也許是需要理論的修正來解釋其差異性。有誰知道魅夸克有可能還有其他的秘密呢?

 

譯者註:

  1. 上(up)、下(down)、奇(strange)、魅(charm)、底(bottom)和頂(top)六種夸克,一般取其第一個字母而通稱為 u、d、s、c、b 和 t 夸克。
  2. 粒子數據小組(Particle Data group,PDG)在其 2018 年發布的審核報告中分別給了同帶雙魅,但帶單電荷與雙電荷粒子一顆星和三顆星。星越多越可靠,最高為五顆星。

 

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