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【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】1976年诺贝尔物理奖

时间:2020-06-12  阅读:116  点赞次数:669  
【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】1976年諾貝爾物理獎官方新聞稿【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】1976年诺贝尔物理奖

照片为丁院士提供,请勿任意转载。

瑞典皇家科学院(The Royal Swedish Academy of Sciences)决定将 1976 年的诺贝尔物理奖颁给美国史坦福直线加速器中心的伯顿.里克特(Burton Richter)教授与美国麻省理工学院的丁肇中教授,以表彰他们在发现一种新的重基本粒子中所进行的开创性研究。

以对基本粒子的研究共享诺贝尔物理学奖殊荣

今年的物理奖颁发给探究物质最基本组成单位的研究,这个单位甚至比原子与原子核还小。根据爱因斯坦着名的质能等价定律,$$E=mc^2$$,创造重粒子需要大量的动能,而且能量必须非常集中。这次获奖的两个实验是分别在两个世界最大的粒子加速器中独立进行。丁肇中和他的研究员将他们自己的侦测器与布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的质子加速器相连接。加速器的直径约为 200 多公尺,而丁肇中的团队所使用的侦测器,长度将近 15 公尺。里克特团队的侦测器则是与位于史坦福直线加速器中心,长达三公里的直线电子加速器相连。里克特的仪器太过庞大,因此无法放在室内。在探测极微小的物体时,大型的显微镜是必需而且无可避免的。为了看到最小的物体,我们需要最大的侦测器。

里克特的仪器有点像旋转木马:一束电子与一束正子在储存环中以极快但可準确调整的速度,以相反的方向绕圈行进。当电子束与正子束正面对撞时,电子跟正子所带的有能量基本上上可能可以产生一个静止不动的重粒子,这个重粒子会在极短的时间内衰变,而变成许多其他粒子。在这以前,除了已知较轻的基本粒子会存在于低能量的环境外,没有人可以预见这个新发现。因此,这个研究计画聚焦于从义大利弗拉斯卡蒂到美国剑桥的磁力探测器所延续下来的研究成果。即使经过多年的计画与準备,发现新粒子的时刻仍是相当突然且出人意料。电子束与正子束的对撞速度可以有上千种不同的设定数值,但是要出现新粒子,却只有那幺一个特定的数值。在 1974 年 11 月 10 日,里克特的团队设定了正确的速度,并在大量的对撞事件中发现了新粒子,并将它命名为「$$\Psi$$ 粒子」。$$\Psi$$ 粒子最特别的是它衰变得相当相当慢,换句话说,也就是它的寿命比预期大了 1000 倍。

丁肇中的实验则是相当不同的情况。丁肇中让高速质子撞击在静止不动的铍靶上,这时质子的轰击角度则是比速度的设定更重要。丁肇中的团队希望透过粒子衰变而产生的电子与正子对来寻找新的重粒子。丁肇中与他的团队这几年来一直在这个领域中独占鳌头,也持续研究着那些较轻、较为人所知的粒子如何产生电子与正子对。透过研究这些速度飞快的衰变后的产物,他们可以计算这些粒子衰变前的性质。这个研究的挑战在于如何将极少量的电子/正子组合从数以百万计的大量不想要却又无法避免的粒子中区分出来。这就像是要在即将起飞的喷射客机旁,试图要听到蟋蟀的鸣叫声一样的困难。因此这个实验需要巨大的侦测器,并进行许多的细部调整,同时包围在相当大量的辐射屏蔽中。此时才清楚知道在撞击的过程中,会不时地产生重粒子。他们将其命名为「$$J$$ 粒子」。

1974 年 11 月 11 日,里克特与丁肇中在史坦福直线加速器中心会面,从而发现两个研究团队发现的是同一种粒子。他们在同一天公布这项发现,并于随后的一周内发表在科学期刊上。不久之后,这项发现就得到义大利弗拉斯卡蒂与西德汉堡德国电子加速器的证实。

在过去的16 年中,科学界已经发现许多新的基本粒子,这些粒子都表现出与已知粒子家族的关联性。这次所发现的新粒子与以往的粒子都不一样,代表了一个全新粒子家族的出现,也开创了新的研究领域。这些粒子是否还可继续解构,成为更小的物质单位?数个世纪以来,物理学家与化学家都致力于寻找物质的最小单位。对于最小单位的认知,也从原子到原子核,慢慢演变成现在所认识的基本粒子。经过几年的努力,现今的物理学家已经将这个极限逐渐缩小,即便是所谓的「基本粒子」,似乎也都有可以再解构为更小单位的迹象,也就是所谓的夸克。过去认为三种不同性质的夸克便足以解释这些基本粒子,对但是许多的研究人员更认为,要了解新的 $$J/\Psi$$ 粒子的结构,我们非常需要第四个夸克。


编译来源:The Nobel Prize in Physics 1976 Press Release

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