水落石出:劃時代的 J 粒子發現

今年是丁肇中先生因發現新型粒子榮獲諾貝爾物理獎40週年,當時離J粒子的發現才兩年。
這個諾貝爾獎超越一般,乃是劃時代的,被稱為「11月革命」:它底定了夸克模型,確認了量子色動力學QCD,結束了「強作用」物理的紛紛嚷嚷,將基本粒子物理帶入標準模型時代,直到今日。
我們回溯J粒子發現前25年追尋基本粒子的發展與困境,到J粒子發現後的撥雲見日,當中穿插一些特別是與丁先生有關的軼事,在最後對J粒子發現的意義與至今的影響,做一禮讚。

撰文:高英哲

原子是不可分割的想法,曾經維持了相當長的一段時間,直到拉塞福發現原子有一個由一堆質子聚集而成的原子核,才突破了這個既定的基本粒子概念。但這個發現同時也帶出了兩個問題:一堆質子之間具有強大的排斥力,原子如何維持穩定態?原子核僅佔整個原子的十萬分之一,這個大小又是如何決定的?

物理學家為了對這兩個問題提出解釋,非常努力地尋找更小的基本粒子。V粒子、K介子、Λ重子……各種基本粒子在 1950 年代,有如雨後春筍般出現。物理學家們覺得它們數量太多了,不可能全都是基本粒子,但又無從得知其結構,也就只能姑且接受。 1955 年的諾貝爾獎得主蘭姆 (Willis Lamb, Junior) ,甚至曾經自嘲說:「發現新的基本粒子以往會獲頒諾貝爾獎,但如今再發現基本粒子,應該要處以一萬元的罰款。」

到了 1960 年代,物理學家用夸克(也就是帶分數的電荷)充當基本粒子,由夸克結合構成各種叫做強子的複合粒子,在理論上解決了基本粒子過多的問題。不過夸克無法直接被觀察到,我們對夸克的認識,都是來自於對各種強子的觀測;因此這個從量子電動力學 (QED) 發展出來,看似完美樣板的量子場論,卻有著不知如何重整化的問題(也就是無法計算的意思)。獲頒諾貝爾獎的李政道跟楊振寧,嘗試解決這個問題,同樣束手無策。

就在物理學界認為量子場論已經走到窮途末路的時候,丁肇中先生登場了。首先是哈佛大學劍橋電子加速器實驗室 (CEA) 在 1965 年所做的實驗結果,與量子電動力學預測不符,他們認為這象徵理論的失敗;丁肇中決定重做這個實驗,在兩年後發表論文,做出與理論預測相符的實驗結果。當時大多數人認為他的實驗不可能成功,但是初出茅蘆的丁肇中勇於挑戰「常識」,義無反顧地著手進行實驗,結果發現了在粒子物理學裡號稱「十一月革命」的J粒子,以紮實的實驗結果,為量子色動力學 (QCD) 的標準模型奠定理論基礎。

昨日的發現很多時候,會成為今日的絆腳石,使我們受到既有成見的束縛。但有些時候今日的發現,也可以成為明日的工具,幫助我們更上一層樓。J粒子的發現為粒子物理學帶來了重大突破,時至今日仍然是許多研究工作者手中的利器。丁肇中曾經說過,興趣與好奇心是他生命的原動力,「興趣使我不會疲倦,而有好奇心你就不會覺得沉悶」。這大概就是丁肇中先生能夠抗拒主流意見,一心不亂地完成實驗工作的最大原因吧!

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日期: 2016/06/25(六) 講師頭銜: 臺灣大學物理學系講座教授 講題: 水落石出:劃時代的 J 粒子發現 地點: 華山文創園區中三館2樓拱廳 演講特稿: 看講座精華文章點我 活動照片: 看花絮照片 點我