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J/ψ粒子被发觉的介绍

1976年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福直线加速器中心的里克特

（BurtonRichter，1931—）和美国马萨诸塞州坎伯利基麻省理工学院的丁肇中（，

1936—），以表彰他们在发觉一种新型的重的大体粒子中所作的前驱性工作。

粒子物理学的发端能够从1932年正电子的发觉提及，到了50年代，陆续发觉了

反质子、π介子、反Λ粒子等等三十多种新粒子，其中稳固的有七种。寿命大多擅

长10-16秒。后来又发觉了许多寿命更短的粒子，这些粒子也叫做强子共振态，是通

过强彼此作用衰变的。盖尔曼的夸克模型理论，说明了这些强子共振态，其预言的Ω-

粒子又被实验证明。这时粒子物理学似乎已经达到了顶峰，没有什么情形可做了。但

是，正是在这一短暂的沉静时期，1974年同时有两个实验小组，宣布发觉了一种寿命

专门长，质量专门大的粒子。

这项发觉的宣布，打破了沉闷的空气，使物理学家大为惊讶，推动粒子物理学迈

向新的台阶。这项新的发觉确实是由里克特领导的SLAC－LBL合作组所发觉的ψ粒

子和由丁肇中领导的MIT小组所发觉的J粒子。人们统称之为J/ψ粒子。

SLAC是斯坦福直线加速器中心的简称，LBL是劳伦斯伯克利实验室的简称。两家

一起组成一个合作组，为SLAC正负电子对撞机（SPEAR）配制了一台取名为MarkI的

磁探测器，目的是探测4GeV的正负电子束对撞后生成的新粒子，探测范围可从直到。

这是那时能量最高的电子对撞机。

1974年初，里克特小组发此刻处截面比①反常，比临近约高30％，那时并未引

发注意。同年10月，又发此刻处有一反常。后来还陆续有高出3～5倍的截面。这促

使他们下决心把机械调回到周围进行精准测量，11月9日终于取得了在处存在狭共振

的确切证据，并命名为ψ粒子。接着，又在处发觉了ψ粒子的姐妹态，ψ＇粒子。

里克特1931年3月22日诞生于纽约。1948年进入麻省理工学院，大三时曾参加

正电子素实验，开始接触到电子-正电子系统。大学的毕业论文题为“氢的二次塞曼

效应”，成绩优良。研究生期间，里克特测量了水银同位素位移及其超精细结构。他

在工作中要用到回旋加速器，让短寿命的Hg197同位素和氚核束轰击金。因此加倍激

发了对核物理和粒子物理和所利用的加速器的爱好。他的博士论文题目是“由氢光生

π介子”。然后他在斯坦福高能物理实验室找到工作。他在那个地址和同事们合作，

建造了一台碰撞束机械，并于1965年开始实验，结果使量子电动力学的适用性延展

至小于10-11cm。

在这之前，里克特就在考虑高能电子-正电子碰撞束机械能用来做些什么。他专

门想研究强彼此作用粒子的结构。1963年里克特来到SLAC，在SLAC主任潘诺夫斯基

的鼓舞下，里克特组织了一个小组制定高能电子-正电子机械的最后设计。1964年完

成了初步设计，1965年向美国原子能委员会提交了一份经费申请报告，固然这只是申

请经费的漫长进程的第一步，以后还为之作过量次奋斗，直到1970年才取得经费。

在这期间，他和小组成员又做了其它实验，设计并制造了大型磁谱仪的整套装置的一

部份，并利用它进行了一系列π介子和K介子的光生实验。里克特为了以后制作存

储环作预备，下了专门大力气以求保住已经成立的小组。有了经费以后，工程当即上

马，着手制作大型磁探测器。1973年开始做实验，终于取得了中意的功效。

若是说里克特和他的小组是以他们的执著追求精神取得了引人注目的成绩，那

么，丁肇中和他的小组更是以其严谨踏实、一丝不苟的作风取得了科学上的回报。

丁肇中是华裔美籍科学家，1936年1月27日诞生于美国密执安州安亚柏市，父

亲丁观海是工程学教授，母亲王隽英是心理学教授，他们在访美期间，生下了丁肇中，

于是丁肇中从小就成了美国公民。诞生后两个月，与母亲一路回到中国。由于战争的

缘故，直到十二岁才受到传统的教育。1956年丁肇中得奖学金入美国密执安大学，三

年后取得了数学和物理学位，1962年取得物理博士学位。关于丁肇中的经历，请读他

的自述：

“当我20岁时，我决定到美国去同意较好的教育，我父母的朋友、密执安大学

工程学院的院长.布朗，告知我父母他很欢迎我去那儿，并到他家住宿。那时我只懂

一点儿英语，而且对在美国的生活费用毫不了解，在中国，我通过看书了解到美国许

多学生是通过自己劳动挣钱进入大学的，于是，我对父母说我也要这么做。1956年9

月6日，我抵达了美国底特律机场，身旁带了100美元，那时仿佛已很富裕了。我感

到有些可怕，因我不熟悉任何人，而且通信也很困难。”

“由于我是靠得奖学金入学的，故我不能不尽力学习以继续取得奖学金。我在三

年内使自己在密执安大学取得了数学和物理学位，在1962年，在琼斯和泊尔博士指

导下取得物理学博士学位。”

“我作为一个福特基金会的研究员到了欧洲核子研究中心（CERN）。在那儿我很

荣幸能跟柯可尼教授一路弄质子同步加速器，从他那儿学到许多物理知识。他能以简

单的方式对待一个复杂的问题，做实验相当认真，这些都给我留下了深刻的印象。”

“1965年春天，我回到美国，在哥伦比亚大学任教。在那些年月里，哥伦比亚大

学的物理系是一个很有刺激性的地址，我有机遇观看到如：莱德曼、李政道、拉比、

施瓦茨、斯坦博格、吴健雄和其他教授的工作。他们在物理学上都具有各自的风格和

相当突出的辨别力。我在哥伦比亚短暂的几年，收益专门大。”

“在我抵达哥伦比亚大学的第二年，在坎伯利基电子加速器上进行一项由光子同

核靶碰撞产生电子正电子对的实验。看来仿佛有点违背量子电动力学。于是我认真地

研究了该项实验，决定重做一次。我与弄西德电子同步加速器的韦伯教授和杰茨凯商

量是不是可在汉堡进行正负电子对产生的实验。他们都很热情地鼓舞我马上就开始实

验，1966年3月，我离开了哥伦比亚大学到汉堡去进行那个实验。自那时起，我以全

数精力投入到电子对及μ介子对物理、研究量子电动力学和类光粒子的产生和衰变、

寻觅能衰变成电子对或μ介子对的新粒子。这种实验的特点是需要高强度入射通量，

需要绝对排除大量不需要的背景条件，同时又需要质量分辨率高的探测器。”

“为了寻觅较大质量的新粒子，我于1972年带了实验小组回到了美国，在布鲁

克海文国立实验室进行实验。1974年秋，咱们发觉了一种新的、完全出乎意料的重粒

子——J粒子的证据。自那以后，找到了整族新粒子。”

关于电子-正电子实验的缘起，丁肇中在领诺贝尔奖的演说词中作了如下说明：

“1957年夏天，我是纽约暑期班的学生，偶然取得了赫兹堡的经典高作《原子光

谱和原子结构》（1937年），从书中我第一次了解到光量子的概念和它在原子物理学

中的作用，大学毕业前夕，我收到父亲送给我的圣诞礼物：阿希耶泽和贝律茨基合著

的《量子电动力学》（1957年）一书的英译本。在密执安大学学习期间，我认真读了

这本书，并自己推导了书中的某些公式，后来我在哥伦比亚大学任教的年代，很有爱

好地读了特雷尔1958年的一篇论文。他指出用高能电子加速器在短距离上对量子电

动力学（QED）所做的各类查验的含义。关于如何把某一类费因曼图从3μ介子的μ

介子产生中分离出来，我同布洛茨基合作进行了理论计算。”

为此丁肇中和布洛茨基联名于1966年发表了一篇论文。

1965年10月，丁肇中受德国汉堡德意志电子同步加速器研究中心（DESY）主任

詹希克的邀请，做了e+e-对产生的第一个实验。他和他的小组利用的探测器具有如下

特性：

1.能利用负载循环2％～3％的10-11/s的入射光子流；

2.同意度专门大，不被磁铁的边缘或屏蔽物所限制，仅受闪烁计数器决定；

3.所有的计数器并非直接面对靶体；

4.为了排除强子对，切连科夫计数器为磁铁所分隔，使π介子与第一对计数器

中的气体辐射源彼此作用而放出的电子被磁铁排除，不进入第二对计数器。从第二对

计数器放出的低能电子那么被簇射计数器排除。

那个实验的结果表示出量子电动力学正确地描述了粒子对产生进程直到

10-14cm。然后，丁肇中小组转动谱仪的磁铁，使最大的粒子对证量同意区的中心在

750MeV周围，他们观看到e+e-对的数量有专门大的上升，明显地破坏QED。这种对

QED的偏离，事实上是由强作用对e+e-产生的奉献增加而引发的。这时入射的光子产

生重的类光粒子ρ介子，它再衰变成e+e-。它的衰变概率为α2的量级，为了证明

情形确实是如此，他们做了另外一个实验，增加e+e-的张角，发觉与QED的偏离更大。

这是能够估量到的，因为当增加e+e-的张角时，QED进程比强作用进程减少得更快。

约为5MeV，因此丁肇中小组研制了一个质量分辨率约为5MeV的探测器。

丁肇中小组的成员们面对的是极为单调的测量工作，可是这不是一样的测量，请

继续听丁肇中教授的回忆：

“在有些测量中，事件率低，专门在研究大于ρ和ω介子质量范围的e+e-质谱

的实验里，当加速器全负载时，e+e-对的产额约为天天一个事件。这确实是说，整个

实验室大约有半年光景一直专门只做那个实验，天天一个事件的事件率还意味着，往

往二、3天没有事件，而在另外的日子里咱们却取得二、3个事件。正是在那个实验

的进程中，咱们形成了每30分钟把全数电压检查一遍和每24小时通过测量QED产额

来校准一次谱仪的传统。为了确保探测器工作稳固，咱们还成立了物理学家跟班的老

例，乃至当加速器关机维修时也跟班，咱们还从不切断电源。如此做的最终成效是，

咱们的计数室连年来有着与实验室的其它部份不同的基础体制。”

“咱们通过量年的工作后，学会了如何操纵具有负载循环2％～3％，每秒约

1011γ的高强度粒子束。同时采纳具有大的质量同意度和好的质量分辨率△M≈5MeV

的探测器，它能以>>108的倍数将ππ从e+e-中分辨出来。”

“咱们此刻能够提出一个简单的问题：有多少重光子存在？它们的性质如何？对

我来讲，不能想像只有三种重光子，而且它们的质量都是1GeV左右，为了解答这些

问题，我同小组成员反复讨论了如何进行实验。最后我决定1971年在布洛克海文国

立实验室的30GeV质子加速器上第一做一个大型实验，把探测质量提高到5GeV，探测

重光子的e+e-衰变来寻觅更多的重光子。”

在诺贝尔奖演说词中，丁肇中如此形容预备时期的工作：

“在建造咱们的谱仪进程，及整个实验进程中，我受到很多的批评。问题在于为

了达到良好的分辨率，必需要造一个超级昂贵的谱仪。一名出名望的物理学家批评说：

这种谱仪只适用于寻觅窄共振——但并非存在窄共振。尽管如此，我仍是决定按咱们

原先的设计制造，因为我一样不太相信理论论证。”

“1974年4月咱们完成了实验的布置工作，并开始引入壮大的质子束流到实验

区。咱们立刻发觉，咱们计数室里的辐射强度达每小时伦琴。这确实是说，咱们的物

理学家24小时内将要受到最大许诺的辐射年剂量。咱们花了二、三个礼拜艰苦地寻

觅缘故，大伙儿为可否继续进行这项实验而忧虑。”

“一天，自1966年以来一直同我共事的贝克尔博士带着盖革计数器在踱步时，

突然发觉，辐射的大部份来自屏蔽区的一个特定的地址。通过认真研究后，发觉即便

咱们已经用了10000吨混凝土屏蔽块，但最重要的区域——束流制动器的顶部——却

仍然全然没有被屏蔽！经此纠正以后，辐射强度降到了一个平安值，如此咱们就能够

够进行实验了。

“从4月到8月，咱们做了例行的调剂工作，探测器工作性能符合设计要求。咱

们能够利用每秒1012个质子，小型电子对谱仪也工作正常，这使咱们能用纯电子束

来校正探测器。”

通过严格认真的反复查对，奇迹终于显现了。丁肇中回忆说：

“1974年初夏，咱们在4Gev～5GeV的大质量区域里测定了一些数据。但是，对

这些数据所做的分析说明，只存在极少的电子-正电子对。”

“在8月底，咱们调整了磁铁使它能同意～4GeV的有效质量。咱们当即看到了干

净的、真正的电子对。”

“最令人惊奇的是，大部份e+e-对在处形成一个狭峰。更详细的分析说明，它的

宽度小于5MeV。”

通过量方查对后，丁肇中小组确认他们发觉了一个那时质量最大的新粒子。后来

得知，里克特小组也发觉了这一粒子。他们的实验各有特点。里克特小组是让e+e-

对湮没以形成矢量介子，是一种形成实验，而丁肇中小组是利用质子束轰击铍靶，产

生矢量介子，然后测量矢量介子的衰变产物，那么是一种产生实验。里克特小组和丁

肇中小组用不同的设备、经不同的反映进程几乎同时地发觉了同一粒子，使物理学界

大为惊喜。他们的发觉把高能物理学带到了新的境遇，因此，两年后里克特和丁肇中

就分获诺贝尔物理学奖。

J/ψ粒子J/psiparticle由魅夸克和反魅夸克组成的一类介子。其质量为

GeV/c2

2003年7月30日，中国科学院高能物理研究所在新闻通报会上宣布，北京谱仪

国际合作组最近发觉了一个新粒子。北京谱仪合作组是由高能物理研究所和国内17

所大学和研究机构及美国、日本、韩国和英国的物理学家和研究生组成的。

那个新粒子是该合作组通过度析5800万J／ψ粒子衰变的事例数据，在分析粲

粒子辐射衰变到正反质子的进程中发觉的。这项研究功效的论文已活着界最具权威和

最有阻碍的期刊《物理学评论快报》(2003年7月)上发表。

这次发觉新粒子的消息马上引发了各方的普遍关注。人们都很想明白这是一种什

么样的粒子？这一新发觉有何物理意义？这是不是又是一个冲破性的成绩？要想回

答这些问题，就需要了解一些粒子物理学的有关知识。

人们最初是按粒子的质量大小将它们分为三类，并给每类一个统称。质量大的叫

做重子，例如质子和中子；质量小的叫做轻子，例如电子和几乎无质量的中微子；大

小介于二者之间的叫做介子，例如π介子。后来依照重子和介子都受强力支配的这

一性质，把它们统称为强子。初期有些物理学家猜想介子由质子和反质子束缚态组成，

但被后来夸克模型代替。1964年盖尔曼等人提出了关于强子结构的夸克模型。在夸克

模型中，重子由三个夸克组成，而介子那么由正反两个夸克组成。在初期提出的夸克

模型中，只有u、d、s三种夸克。1974年，J／ψ粒子被丁肇中教授和里克特教授各

自独立发觉后，三种夸克的理论无法说明这种长寿命的介子，因此引入第四种夸克，

即粲夸克c，而J／ψ粒子是由一个粲夸克(c)和一个反粲夸克组成的。这以后又引入

了第五种夸克底夸克b和第六种夸克顶夸克t。到1995年为止，理论上预言的6种夸

克都被实验发觉了。

J／ψ粒子在正负电子对撞中产额很高，J／ψ粒子的衰变是研究强子谱和寻觅

新粒子的理想途径。北京谱仪获取的5800万J／ψ粒子事例比国际上其他同类实验

数据约高一个量级，为物理分析制造了良好的基础。那个新粒子的寿命超级短，因此

也被称为共振态。所谓共振态，是一种不稳固的强子，它带有强子的诸如自旋、宇称、

同位旋等各类量子数。共振态粒子一样都是通过强力衰变，因此寿命很短，大约

10-20—10-24秒。依照量子力学能量和时刻的不确信原理，不稳固粒子没有确信的质

量，其不确信程度称为宽度(9)，与粒子的寿命(τ)成反比(9＝η／τ)。共振态粒子

的宽度能够高达几百MeV，因此说新发觉的粒子宽度很窄。尽管那个新发觉的共振态

的质量略小于质子与反质子的质量之和，正是由于共振态粒子的质量有必然的宽度，

使得那个共振态仍有少量粒子的质量大于质子与反质子的质量之和，而衰变成质子与

反质子。粒子物理实验研究在假设干粒子的衰变中已观看到类似的现象。这次新发觉

的消息方才传出，欧洲核子研究中心闻名的理论物理学家埃利斯就在一篇论国际最新

进展的文章中评判说：“这一发觉和世界上其他新的实验结果是令人惊异的，对进展

强彼此作用理论有着重要意义。”诺贝尔物理学奖取得者李政道教授也致信高能所表

示祝贺，信中评判说：“这是一个十分重要的功效，也是物理学上很成心义的工

作。”

寻觅多夸克态一直是国际高能物理实验的重要目标。在实验上初期发觉的数百个

介子共振态和重子共振态中，都没有多夸克态的确凿证据。最近，国际上有几个实验

组在进行这方面的探讨，取得了显著进展。而北京正负电子对撞机上的实验，新发觉

的粒子由于特有的性质，尤其是很窄的宽度而很难归结为通常的夸克—反夸克结合

态，因此被推测为可能是一种多夸克态。有些物理学家以为，所发觉的共振态粒子可

能是重子反重子束缚态(多夸克态的一种)。

普遍和紧密的国际合作是高能物理研究大体特点。北京正负电子对撞机从设计之

日起，就一直取得国际高能物理界，专门是李政道教授的大力支持。二十连年来，中

国科学院和美国能源部每一年都举行会谈，重点讨论两边在北京正负电子对撞机和北

京谱仪的合作。国家自然科学基金委员会对北京谱仪的研究工作也一直给予大力支

持。北京正负电子对撞机和北京谱仪在1999年初完成了升级改造后，整体综合性能

大幅度提高，天天获取的数据量是改造前的3—4倍，数据的质量良好。北京谱仪国

际合作组对这些数据进行了深切细致的分析和研究，这次发觉新粒子是这批数据的重

大物理功效之一。

北京正负电子对撞机和北京谱仪运行在20亿—50亿电子伏特的能量区域，尽管

活着界上那个能量不是很高，但属于国际高能物理实验研究两大前沿之一的精准测量

前沿，具有重大的物理意义，不断显现新的重大功效，成为国际高能物理研究的一个

新热点，竞争十分猛烈。国家有关部门已经批准对北京正负电子对撞机和北京谱仪进

行重大改造，预期加速器提供的数据量将提高两个数量级，探测器的性能也将大幅度

提高。那个重大改造完成后，北京正负电子对撞机将能继续维持在粲夸克物理和强子

谱等研究领域的国际领先地位。

新的发觉，也是新的挑战。高能所的科学家表示：目前咱们的研究结果只是确信

了那个新粒子的存在，要最终明确那个新粒子的大体性质和物理意义，还要北京谱仪

合作组的中外科学家进一步做大量的深切细致的数据分析工作，更需要与国内外的理

论物理学家紧密配合，认真研究，也可能需要更大量的数据才能最终回答这些问题。