李祖豪 張 誠(chéng) 孫澤同 整理

（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 100049）

趙忠堯先生最早(1930年)在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到反物質(zhì)的存在。1930年，趙忠堯先生在美國(guó)《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表了《硬γ射線散射》的文章。這篇文章一個(gè)重要的結(jié)論是γ射線在通過(guò)重金屬鉛后會(huì)產(chǎn)生額外的散射光。

趙忠堯先生的這個(gè)發(fā)現(xiàn)預(yù)示了反物質(zhì)的存在。γ射線在通過(guò)重金屬鉛后會(huì)產(chǎn)生額外的散射光是因?yàn)?圖1)：γ射線在通過(guò)重金屬鉛后產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)——電子是物質(zhì)，正電子是反物質(zhì)；正電子與鉛里面的電子湮滅產(chǎn)生的γ射線就是趙忠堯先生發(fā)現(xiàn)的“額外的散射光”。

圖1 光通過(guò)鉛之后，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，其中的正電子又和電子湮滅變成光

趙忠堯先生的發(fā)現(xiàn)——光可以變成正負(fù)電子對(duì)，啟發(fā)了丁肇中先生的一系列實(shí)驗(yàn)。

1.測(cè)量電子半徑

1948 年，費(fèi)曼(Feynman)、施溫格(Schwinger)和朝永振一郎(Tomonaga)提出的量子電動(dòng)力學(xué)理論(QED)被當(dāng)時(shí)幾乎所有的實(shí)驗(yàn)所證明，他們也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子電動(dòng)力學(xué)中認(rèn)為電子是沒(méi)有體積的。

哈佛大學(xué)從事這種實(shí)驗(yàn)的專家和著名的教授們從1960年開(kāi)始，經(jīng)過(guò)若干年的研究，在1964年得到了電子是有體積的結(jié)論(電子的半徑為10-13～14厘米)，如圖2所示。這個(gè)結(jié)果得到了康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子電動(dòng)力學(xué)理論中電子沒(méi)有體積的假設(shè)不一致，他們的結(jié)果受到物理學(xué)界重視和廣泛關(guān)注。

圖2 哈佛大學(xué)測(cè)量電子半徑實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

電子是否有半徑涉及現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，丁肇中先生決定用新的方法重做電子半徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)。1965年丁肇中先生到德國(guó)漢堡新建的60億電子伏特電子加速器(DESY)去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。丁肇中先生根據(jù)趙忠堯先生光產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的結(jié)論，在德國(guó)DESY 每秒鐘入射1000 億個(gè)60 億電子伏特的光子的加速器上，用如圖3 所示的大型粒子物理探測(cè)器進(jìn)行電子半徑測(cè)量的實(shí)驗(yàn)。

圖3 DESY電子半徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

1966 年，實(shí)驗(yàn)的8 個(gè)月后，丁肇中先生的小組完成了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子實(shí)際上沒(méi)有可測(cè)量的尺寸，半徑小于實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度10-14厘米，結(jié)果與量子電動(dòng)力學(xué)理論預(yù)言完全一致，從而證明了量子電動(dòng)力學(xué)是正確的(圖4)。這個(gè)結(jié)果在1966年在伯克利的羅切斯特會(huì)議(現(xiàn)在國(guó)際高能物理會(huì)議的前身)上首次宣布。

圖4 DESY電子半徑測(cè)量結(jié)果

2.光子和重光子的一系列實(shí)驗(yàn)

重光子即有質(zhì)量的光子，它與光子有著相同的量子數(shù)。重光子有ρ→ππ共振態(tài)，有ω→πππ共振態(tài)，有Φ→K+K-共振態(tài)等。

光子和重光子的量子數(shù)相同，光子的質(zhì)量為0，而重光子有質(zhì)量。在高能時(shí)，由于E=mc2，重光子和光子之間應(yīng)該可以相互轉(zhuǎn)化(這里的m是指動(dòng)質(zhì)量)。由于共振態(tài)的不同，重光子ρ和ω衰變不會(huì)發(fā)生干涉，但ρ和ω都能變成光子，光子可以衰變成正負(fù)電子對(duì)，因此ρ和ω衰減能夠產(chǎn)生e-e+衰變干涉。

ρ和ω轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)非常困難，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要e-e+和ππ的粒子分辨能力達(dá)到一億分之一以上，所以之前的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有找到過(guò)ρ和ω的轉(zhuǎn)化。

丁肇中先生設(shè)計(jì)了一個(gè)新的探測(cè)器來(lái)做ρ和ω轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)與ρ和ω可以互相轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)相符，而不符合無(wú)相互轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)，從而證明ρ和ω可以相互轉(zhuǎn)化的理論。

圖5 重光子ρ和ω之間相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)

同時(shí)丁肇中先生的實(shí)驗(yàn)還觀察到傳統(tǒng)理論認(rèn)為不可能存在的ω→ππ衰變。重光子ρ是ππ共振態(tài)，ω是πππ共振態(tài)，因此重光子ρ和ω衰減不會(huì)發(fā)生干涉；但ω可以轉(zhuǎn)化為光子，光子再轉(zhuǎn)化成ρ，ρ再衰變?yōu)棣笑?，因此ω→ππ衰變是可能存在的?/p>

當(dāng)時(shí)有很多人討論這個(gè)問(wèn)題，包括獲得諾貝爾獎(jiǎng)的Glashow 和Steinberger，這是一個(gè)很重要的物理現(xiàn)象，但在此之前很多人進(jìn)行過(guò)尋找但都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。丁肇中先生的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，并且用氫靶、碳靶和鉛靶，所得到的結(jié)果都測(cè)量到ω→ππ衰變，證明只有ρ→ππ衰變的理論是不正確的。

3.J粒子實(shí)驗(yàn)

上述的一系列實(shí)驗(yàn)都表明光子和重光子有相似性質(zhì)，并且它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。在當(dāng)時(shí)就有這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么所有的重光子的質(zhì)量都與質(zhì)子的質(zhì)量相近(10億電子伏特)？

丁肇中先生設(shè)計(jì)了一個(gè)當(dāng)時(shí)最精密的探測(cè)器，決定到質(zhì)子加速器上尋找更重的重光子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在美國(guó)的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室實(shí)施(圖6)。

圖6 新粒子尋找原理圖

J 粒子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求從100 億個(gè)已知粒子中找到一個(gè)新粒子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)的事例。這個(gè)前所未有的精度，要求探測(cè)器必須每秒至少100 億個(gè)高能量的質(zhì)子打到探測(cè)器上，同時(shí)需要達(dá)到100 萬(wàn)分之一的精度來(lái)排除π+π-本底；這么多的質(zhì)子輸入探測(cè)器所產(chǎn)生的放射線會(huì)徹底破壞探測(cè)器，對(duì)工作人員也是非常危險(xiǎn)，所以必須發(fā)展全新的、非常精確的，在非常強(qiáng)的放射線下也能正常工作的探測(cè)儀器。

如圖7 為J 粒子實(shí)驗(yàn)的最終實(shí)驗(yàn)布置：M0，M1，和M2是偶極磁鐵；A0，A，B，和C是多絲正比室；a和b分別是8×8的徑跡室；S表示三排鉛玻璃和簇射計(jì)數(shù)器；CB,C0,和Ce是氣體切倫科夫計(jì)數(shù)器。探測(cè)器可以獨(dú)立測(cè)量動(dòng)量p 和角度θ從而可以得到最佳的質(zhì)量分辨率。

圖7 J粒子實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)的屏蔽裝置由高密度的5 噸鈾，100 噸鉛來(lái)屏蔽γ,e，μ，10000 噸水泥來(lái)屏蔽P,K,π粒子，軟中子被放在各個(gè)方向的5噸肥皂截獲。

在J 粒子實(shí)驗(yàn)裝置研制中，研發(fā)了很多的新儀器，包括特別精密的多絲正比室(現(xiàn)在展出于美國(guó)華盛頓的國(guó)家科技館)。

1974 年丁肇中先生的實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了J 粒子，它具有奇異的特性：它的壽命是已知的其他共振態(tài)粒子的一萬(wàn)倍，這類似于在地球的一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)突然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)村莊，在那里，人們的壽命都是一百萬(wàn)歲左右，這就表示這個(gè)村子里的人和普通人是完全不一樣的；這種新粒子的發(fā)現(xiàn)，證明了宇宙中有新的物質(zhì)存在，它們是由新的夸克組成的，丁肇中先生實(shí)驗(yàn)組把它命名為J粒子(圖8)。

圖8 J粒子質(zhì)量分布

J 粒子的發(fā)現(xiàn)，改變了物理學(xué)界當(dāng)時(shí)長(zhǎng)期認(rèn)為的世界上只有三種夸克的觀念，改變了我們對(duì)于物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，丁肇中先生也因此獲得1976年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。繼J 粒子之后，新的粒子又陸續(xù)被人們找到，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，至少存在六種不同的夸克(u,d,s,c,b,t)。

4.Mark-J實(shí)驗(yàn)

20 世紀(jì)70 年代，丁肇中先生在德國(guó)PETRA 的300億電子伏特對(duì)撞機(jī)上，繼續(xù)之前光變成正負(fù)電子的實(shí)驗(yàn)而發(fā)展出Mark-J實(shí)驗(yàn)，主要研究正負(fù)電子對(duì)撞后，到底有什么現(xiàn)象，最后Mark-J實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了膠子。

“文革”后，1977 年8 月，鄧小平建議每年派10位科學(xué)家參加丁肇中先生的工作，從那時(shí)起到現(xiàn)在，許多中國(guó)科學(xué)家參加丁肇中先生的團(tuán)隊(duì)，做出了世界公認(rèn)的貢獻(xiàn)。圖9為趙忠堯先生及科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)訪問(wèn)Mark-J實(shí)驗(yàn)時(shí)的合影。

圖9 趙忠堯先生及中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)訪問(wèn)Mark-J實(shí)驗(yàn)

宇宙中有四種力。一種是引力，引力的來(lái)源和傳輸我們并不了解；電磁力由光傳輸；弱相互作用力由Z0、W±傳輸；強(qiáng)相互作用力由膠子傳輸。

膠子的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)的重大進(jìn)展。1979 年9月2日美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道了丁肇中先生團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)膠子的新聞，中間有一段特別指出，27 名中國(guó)科學(xué)家參加了這次試驗(yàn)，在有關(guān)高能物理的國(guó)際合作研究史上，這是中國(guó)第一次的突出貢獻(xiàn)。當(dāng)年的《人民日?qǐng)?bào)》也報(bào)道了丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組發(fā)現(xiàn)膠子的新聞。

5.L3實(shí)驗(yàn)

在尋找宇宙中的基本粒子的道路上有很多需要回答的基本問(wèn)題：有多少種電子、夸克？電子、夸克的大小是多少？電子和夸克能被分解成更小的粒子嗎？為了探索這些基本問(wèn)題，繼續(xù)以前光變成正負(fù)電子的實(shí)驗(yàn)，丁肇中先生在歐洲核子中心CERN的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP(1000億電子伏特的正電子和1000 億電子伏特的電子對(duì)撞)上進(jìn)行了L3 實(shí)驗(yàn)(圖10、圖11)。對(duì)撞時(shí)的溫度是太陽(yáng)表面溫度的4000億倍，也是宇宙誕生最初(1000 億億分之一秒時(shí))的溫度。這是首次美國(guó)、前蘇聯(lián)、中國(guó)、歐洲各地19個(gè)國(guó)家和600名科學(xué)家共同參加的大型國(guó)際合作。

圖10 《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道丁肇中團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)膠子的消息

圖11 L3實(shí)驗(yàn)裝置圖

L3實(shí)驗(yàn)的磁鐵重1萬(wàn)噸，探測(cè)器中有300噸鈾，這些鈾都是由前蘇聯(lián)制造提供的。中國(guó)的主要貢獻(xiàn)包括精密儀器——上海的硅酸鹽所研發(fā)的BGO晶體。BGO 晶體是透明的，其密度與鋼相同，當(dāng)時(shí)全世界的BGO 年產(chǎn)量只有4 公斤，而上海硅酸鹽研究所在三年內(nèi)為L(zhǎng)3 實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)了所需的12 噸BGO 晶體(圖2)?，F(xiàn)在，BGO 晶體被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

在L3實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析中，多位中國(guó)科學(xué)家包括陳和生院士和王貽芳院士做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

L3 實(shí)驗(yàn)發(fā)表了300 多篇文章，培養(yǎng)了300 多博士。L3 實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果可以總結(jié)為以下四點(diǎn)：第一，宇宙中只有3種不同的電子(e,μ,τ)及其對(duì)應(yīng)的中微子和6種不同的夸克(u,d,s,c,b,t)；第二，電子是沒(méi)有體積的，電子半徑小于10-17厘米；第三，夸克也是沒(méi)有體積的，夸克的半徑小于10-17厘米；第四，所有的結(jié)果都與電弱理論相符合。

圖12 (a)L3實(shí)驗(yàn)的BGO晶體；(b)L3實(shí)驗(yàn)的BGO晶體，共計(jì)12000條，12噸

6.阿爾法磁譜儀(AMS)實(shí)驗(yàn)

國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀AMS，其主要的科學(xué)目標(biāo)之一就是尋找宇宙中高能量正電子的來(lái)源。此外，AMS的主要科學(xué)目標(biāo)還包括尋找宇宙中的原初反物質(zhì)以及探索宇宙線的起源加速和傳播機(jī)制。AMS 實(shí)驗(yàn)也是由丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的大型國(guó)際合作項(xiàng)目，由來(lái)自16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的600多位科學(xué)家組成。探測(cè)器于2011 年5 月16 日搭乘“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)發(fā)射升空，于3天之后安裝在國(guó)際空間站并開(kāi)始持續(xù)運(yùn)行取數(shù)，至今已收集了超過(guò)2100億宇宙線事例，并將持續(xù)運(yùn)行到國(guó)際空間站使命結(jié)束(不早于2030年)。

AMS 是當(dāng)今唯一長(zhǎng)期在外太空運(yùn)行的大型精密粒子物理磁譜儀(圖13)，具有接收度大、曝光時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，能夠精確測(cè)量從GeV 到TeV能段的宇宙線成分與能譜。

圖13 AMS探測(cè)器

根據(jù)現(xiàn)有的了解，宇宙中正電子來(lái)源有三種(圖14)。第一，宇宙線和星際物質(zhì)碰撞而產(chǎn)生的正電子；第二，新的天體源如脈沖星產(chǎn)生的正電子(但由于反質(zhì)子的質(zhì)量很大，脈沖星是不產(chǎn)生反質(zhì)子的)；第三，暗物質(zhì)與暗物質(zhì)碰撞湮滅，產(chǎn)生正電子。

圖14 宇宙中正電子的來(lái)源

AMS 實(shí)驗(yàn)利用10 年運(yùn)行收集到的340 萬(wàn)從低能端到1.4萬(wàn)億電子伏特的正電子事例得到的宇宙線正電子能譜如圖15所示，在較低能部分與宇宙線碰撞理論符合得很好；而高能量的正電子則遠(yuǎn)超宇宙線碰撞的預(yù)期，并且?guī)Ы刂鼓芰?，預(yù)示其來(lái)自于“源”，可能是脈沖星或者暗物質(zhì)。

圖15 AMS最新測(cè)量的宇宙線正電子流強(qiáng)譜結(jié)果

反質(zhì)子是不能由脈沖星產(chǎn)生(因?yàn)檎促|(zhì)子質(zhì)量大，脈沖星的伽瑪產(chǎn)生的正反質(zhì)子對(duì)的可能性很小)。而AMS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次發(fā)現(xiàn)高能反質(zhì)子與正電子的能譜具有著相似的能譜形狀(如圖16所示)，預(yù)示著二者可能有相同的來(lái)源，而脈沖星不能夠產(chǎn)生反質(zhì)子，這一結(jié)果預(yù)示高能正電子不是由脈沖星產(chǎn)生。

圖16 AMS正電子流強(qiáng)譜與反質(zhì)子流強(qiáng)譜的比較圖

AMS實(shí)驗(yàn)已經(jīng)對(duì)電荷為1到14的質(zhì)子到硅，以及電荷等于26 的鐵的宇宙線原子核能譜做了精確測(cè)量，得到了一系列意料之外的結(jié)果，為宇宙線起源加速和傳播機(jī)制的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)；AMS 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)宇宙線反氦原子核候選事例，如果確認(rèn)其來(lái)自于原初宇宙線，將為解答“反物質(zhì)缺失之謎”提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

宇宙是最廣闊的實(shí)驗(yàn)室，AMS得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與先前的宇宙線理論并不一致，說(shuō)明了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)十分有限。AMS 將在國(guó)際空間站上持續(xù)運(yùn)行至2030 年，屆時(shí)收集的更多的宇宙線數(shù)據(jù)，將拓展，甚至改變我們對(duì)宇宙的理解。AMS最重要的目標(biāo)是探索未知，尋找我們從未想過(guò)或發(fā)現(xiàn)過(guò)的自然現(xiàn)象。

千里之行，始于足下。趙忠堯先生的工作，啟發(fā)了丁肇中先生的實(shí)驗(yàn)。