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第四课 麻省理工名人榜物理学家丁肇中（第3页）

关于丁肇中的经历，请读他的自述：“当我20岁时，我决定到美国去接受较好的教育，我父母的朋友、密执安大学工程学院的院长G。G。布朗，告诉我父母他很欢迎我去那儿，并到他家住宿。当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，我到达了美国底特律机场，身边带了100美元，当时好像已很富裕了。我感到有些害怕，因我不认识任何人，而且通信也很困难。”“由于我是靠得奖学金入学的，故我不得不努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获得了数学和物理学位，在1962年，在琼斯和泊尔博士指导下获得物理学博士学位。”"我作为一个福特基金会的研究员到了欧洲核子研究中心（）。在那儿我很荣幸能跟柯可尼教授一起搞质子同步加速器，从他那儿学到许多物理知识。他能以简单的方法对待一个复杂的问题，做实验相当仔细，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方，我有机会观察到如：莱德曼、李政道、拉比、施瓦茨、斯坦博格、吴健雄以及其他教授的工作。他们在物理学上都具有各自的风格和相当突出的鉴别力。我在哥伦比亚短暂的几年，收益很大。”

“在我到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。看来好像有点违反量子电动力学。于是我仔细地研究了该项实验，决定重做一次。我与搞西德电子同步加速器的韦伯教授和杰茨凯商量是否可在汉堡进行正负电子对产生的实验。他们都很热情地鼓励我马上就开始实验，1966年3月，我离开了哥伦比亚大学到汉堡去进行这个实验。自那时起，我以全部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、寻找能衰变成电子对或μ介子对的新粒子。这类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。"

“为了寻找较大质量的新粒子，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，我们发现了一种新的、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。”

Jψ粒子的介绍

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做了如下说明：“1957年夏天，我是纽约暑期班的学生，偶然得到了赫兹堡的经典著作《原子光谱和原子结构》，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》一书的英译本。在密执安大学学习期间，我仔细读了这本书，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，很有兴趣地读了特雷尔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）所做的各种检验的含义。对于怎样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。他和他的小组使用的探测器具有如下特性：1。能利用负载循环2%～3%的10-11s的入射光子流；2。接受度很大，不被磁铁的边缘或屏蔽物所限制，仅受闪烁计数器决定；3。所有的计数器并不直接面对靶体；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相互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则被簇射计数器排除。

这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过程直到10~14cm。然后，丁肇中小组转动谱仪的磁铁，使最大的粒子对质量接受区的中心在750MeV附近，他们观察到e'e-对的数量有很大的上升，明显地破坏QED。这种对QED的偏离，事实上是由强作用对e'e产生的贡献增加而引起的。这时入射的光子产生重的类光粒子p介子，它再衰变为e'e。它的衰变概率为α2的量级，为了证明情况确实是这样，他们做了另外一个实验，增加e'e-的张角，发现与QED的偏离更大。这是可以预计到的，因为当增加e'e的张角时，QED过程比强作用过程减少得更快。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其单调的测量工作，可是这不是一般的测量，请继续听丁肇中教授的回忆：“在有些测量中，事件率低，特别在研究大于p和介子质量范围的e'e质谱的实验里，当加速器全负载时，e'e-对的产额约为每天一个事件。这就是说，整个实验室大约有半年光景一直专门只做这个实验，每天一个事件的事件率还意味着，往往两三天没有事件，而在另外的日子里我们却得到两三个事件。正是在这个实验的过程中，我们形成了每30分钟把全部电压检查一遍和每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定，我们还建立了物理学家跟班的惯例，甚至当加速器关机维修时也跟班，我们还从不切断电源。这样做的最终效果是，我们的计数室多年来有着与实验室的其他部分不同的基础体制。”

“我们经过多年的工作后，学会了怎样操纵具有负载循环2%～3%，每秒约1011γ的高强度粒子束。同时采用具有大的质量接受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-中辨别出来。”

“我们现在可以提出一个简单的问题：有多少重光子存在?它们的性质怎样?对我来说，不能想象只有三种重光子，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怎样进行实验。最后我决定1971年在布洛克海文国立实验室的30GeV质子加速器上首先做一个大型实验，把探测质量提高到5GeV，探测重光子的e+e-衰变来寻找更多的重光子。”

获得诺贝尔奖的演说

在诺贝尔奖演说词中，丁肇中这样形容准备阶段的工作：“在建造我们的谱仪过程，及整个实验过程中，我受到很多的批评。问题在于为了达到良好的分辨率，必须要造一个非常昂贵的谱仪。一位有名望的物理学家批评说：这种谱仪只适用于寻找窄共振——但并不存在窄共振。尽管这样，我还是决定按我们原来的设计创造，因为我一般不太相信理论论证。”“1974年4月我们完成了实验的布置工作，并开始引入强大的质子束流到实验区。我们立刻发现，我们计数室里的辐

射强度达每小时0。2伦琴。这就是说，我们的物理学家24小时内将要受到最大允许的辐射年剂量。我们花了两三个星期艰苦地寻找原因，大家为能否继续进行这项实验而担忧。

“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，突然发现，辐射的大部分来自屏蔽区的一个特定的地方。经过仔细研究后，发现即使我们已经用了10000吨混凝土屏蔽块，但最重要的区域——束流制动器的顶部——却仍然根本没有被屏蔽!经此纠正之后，辐射强度降到了一个安全值，这样我们就可以进行实验了。

“从4月到8月，我们做了例行的调节工作，探测器工作性能符合设计要求。我们能够利用每秒1012个质子，小型电子对谱仪也工作正常，这使我们能用纯电子束来校正探测器。”

经过严格认真的反复核对，奇迹终于出现了。丁肇中回忆说：“1974年初夏，我们在4Gev～5GeV的大质量区域里测定了一些数据。然而，对这些数据所做的分析表明，只存在极少的电子——正电子对。

“在8月底，我们调整了磁铁使它能接受2。5GeV～4GeV的有效质量。我们立即看到了干净的、真正的电子对。”“最令人惊奇的是，大部分e'e-对在3。1GeV处形成一个狭峰。更详细的分析表明，它的宽度小于5MeV。”经过多方核对后，丁肇中小组确认他们发现了一个当时质量最大的新粒子。后来得知，里克特小组也发现了这一粒子。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，则是一种产生实验。里克特小组和丁肇中小组用不同的设备、经不同的反应过程几乎同时地发现了同一粒子，使物理学界大为惊喜。他们的发现把高能物理学带到了新的境界，因此，两年后里克特和丁肇中就分获诺贝尔物理学奖。

Jψ粒子Jpsiparticle由魅夸克和反魅夸克组成的一类介子。其质量为3。1GeVc22003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现了一个新粒子。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。这个新粒子是该合作组通过分析5800万Jψ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过程中发现的。这项研究成果的论文已在世界最具权威和最有影响的期刊《物理学评论快报》（2003年7月）上发表。

这次发现新粒子的消息顿时引起了各方的广泛关注。人们都很想知道这是一种什么样的粒子?这一新发现有何物理意义?这是不是又是一个突破性的成就?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。质量大的叫作重子，例如质子和中子；质量小的叫作轻子，例如电子和几乎无质量的中微子；大小介于两者之间的叫作介子，例如π介子。后来根据重子和介子都受强力支配的这一性质，把它们统称为强子。早期有些物理学家猜测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，而介子则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。

寻找多夸克态

Jψ粒子在正负电子对撞中产额很高，Jψ粒子的衰变是研究强子谱和寻找新粒子的理想途径。北京谱仪获取的5800万Jψ粒子事例比国际上其他同类实验数据约高一个量级，为物理分析创造了良好的基础。这个新粒子的寿命非常短，因此也被称为共振态。

所谓共振态，是一种不稳定的强子，它带有强子的诸如自旋、宇称、同位旋等各种量子数。共振态粒子一般都是通过强力衰变，因而寿命很短，10-2秒~10-4秒。根据量子力学能量和时间的不确定原理，不稳定粒子没有确定的质量，其不确定程度称为宽度（9），与粒子的寿命（T）成反比（9=ηπ）。共振态粒子的宽度可以高达几百MeV，因而说新发现的粒子宽度很窄。

尽管这个新发现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一定的宽度，使得这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若干粒子的衰变中已观察到类似的现象。

这次新发现的消息刚刚传出，欧洲核子研究中心著名的理论物理学家埃利斯（J。Ellis）就在一篇论国际最新进展的文章中评价说：“这一发现和世界上其他新的实验结果是令人惊异的，对发展强相互作用理论有着重要意义。”诺贝尔物理学奖获得者李政道教授也致信高能所表示祝贺，信中评价说：“这是一个十分重要的成果，也是物理学上很有意义的工作。”

寻找多夸克态一直是国际高能物理实验的重要目标。在实验上早期发现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索，取得了显著进展。而北京正负电子对撞机上的实验，新发现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一反夸克结合态，因

而被推测为可能是一种多夸克态。有些物理学家认为，所发现的共振态粒子可能是重子反重子束缚态（多夸克态的一种）。

广泛和密切的国际合作是高能物理研究基本特点。北京正负电子对撞机从设计之日起，就一直得到国际高能物理界，特别是李政道教授的大力支持。

二十多年来，中国科学院和美国能源部每年都举行会谈，重点讨论双方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，每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入细致的分析和研究，此次发现新粒子是这批数据的重大物理成果之一。

新的发现，也是新的挑战。高能所的科学家表示：目前我们的研究结果只是确定了这个新粒子的存在，要最终明确这个新粒子的基本性质和物理意义，还要北京谱仪合作组的中外科学家进一步做大量的深入细致的数据分析工作，更需要与国内外的理论物理学家密切配合，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。

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2007年1月，一位麻省理工生物系教授发现了一组最新的核糖核酸纲，这对未来基因的组合有伟大的突破。2007年4月，麻省理工电机系的一研究队发明了不用电池就能使用的笔记本电脑。2007年5月，麻省理工一组太空科学研究队发现了宇宙中最热的行星（2040℃）。2007年6月，麻省理工学院宣布，他们已经运用电磁共振技术，无须使用电线，就能隔空传输电力，让一只60瓦的灯泡发光。这意味手机、笔记本电脑等小家电，未来可以无线充电，无须再使用电池或充电插座。