我所经历的现代物理及体会(一)

2019-04-08丁肇中

实验室研究与探索 2019年1期

关键词：夸克加速器探测器

丁肇中

(麻省理工学院，马萨诸塞州 02179-4307，美国)

0 引言

今天我想向大家介绍的是我所经历的现代物理和我的体会。

实验是自然科学的基础，理论如果没有实验的证明，就没有意义。当实验推翻了理论以后，才可能得到新的理论。而理论是不可能推翻实验的。

过去400年，我们对物质结构的基本了解，大都来自于实验物理。公元1612年，世界上所建造的最早的加速器，就是比萨斜塔。伽利略在上面让不同重量的东西同时落地。那个加速器能量非常低[0.000 1 eV]，可是现在还存在，为人类做出了最重要的贡献。现在世界上最大的加速器，是周长27 km的欧洲核子中心的加速器，能量非常高[1.4×1013eV]。这个加速器的一个比较重要的“发明”，就是大家现在所用的互联网。经过400多年的努力，现在对物质结构的基本了解是：原子的外层是电子，里面是原子核。原子核里面是粒子，粒子里面是夸克，把夸克“绑”在一起的是胶子。这是我们描绘的宇宙物质结构的最基本图像。

1 不要盲从专家的结论

我1956年进入密歇根大学，1962年拿到博士学位。拿到博士学位以后，我很快就决定自己做实验。第1个实验就是证明电子是没有体积的，它的半径小于10-14cm。我1965年的实验测量了电子半径：在1948年，根据量子电动力学(QED)，由Richard Feynman，Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一个理论：电子是没有体积的。这个理论被当时所有的实验所证实，因此他们获得了诺贝尔奖。但是到了1964年，哈佛大学和康奈尔大学很多很有名的教授，或多年专门从事这种实验的专家们，用了多年的时间做了两个不同的实验(图1)，得到了相反的结论，说量子电动力学是错误的，电子是有体积的，它的半径不是小于而是等于10-13～14 cm。因为他们做了两个不同的实验，得到同样的结论，所以受到了物理界的认可和重视。

图1 哈佛—康奈尔实验与费曼、施温格、朝永振一郎理论的对比

因为这是关于物理基本观念的实验，所以我决定用不同的方法来测量。那个时候我刚刚拿到博士学位，没有任何经验，所以没有人相信我能够做出这样的实验，更没有人支持。在1965年，我决定放弃在美国大学的前途，到德国新建的加速器(DESY)用不同的方法重复了这个实验。用的加速器周长是320 m，当电极转过磁铁的时候，就会发射75亿eV的光，光打在电子上(使其加速)(图2)。这两个人是我当年的学生(图3)，一个学生现在是普林斯顿大学的副校长，另一个并不是个特别好的学生，现在是一个有成就的工业家。

图2 实验示意图

图3 丁肇中的学生

8个月以后，我的实验证明，量子电动力学是正确的，电子是没有体积的。它的半径小于10-14cm，小于不是等于。看看这个结果和理论的比较，这样的结果和理论完全符合，这表示电子是没有体积(图4)。

所以我做实验的第一个结论是：不要盲从专家的结论。我之前什么实验也没做过，这是我的第一个实验。另外两个队伍都是有名的科学家，结果都是错的。

图4 电子是没有体积的的

2 做基础研究，要对自己有信心

第2个实验就是发现新粒子的实验，是于1970年到1974年在美国的长岛(布鲁克海文)国家实验室(图5)完成的。1970年，物理学家都认为，粒子是由3种夸克所组成的。质子：紫色的u，红色的u，和蓝色的d；K+介子：紫色的u，粉色的s bar(图6)。我的问题是，为什么只有3种夸克？为了寻找新的夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器。

图5 美国布鲁克海文国家实验室

图6 质子与介子示意图

上世纪70年代初，我设计了这个实验。实验要求的精确度是极高的，相当于在北京或者济南下雨的时候,每秒钟有100亿个雨滴,其中有1个雨滴是不同的颜色，是红色或者紫色的,我们要从这100亿个雨滴中,在1 s内把它找出来。因而这个的精确度就是100亿分之一。

这个实验不受世界上所有物理学家的欢迎。理论物理学家都相信只有3种夸克。原因很简单，因为3种夸克已经可以解释所有当时已知的物理现象；而实验物理学家认为，没有人能做出这样困难的实验。所以这个实验几乎被世界上所有的实验室所拒绝。1970年，美国布鲁克海文国家实验室接受了我的实验。

为了能从100亿个已知粒子中找到1个新粒子,这个实验必须每秒钟输入100亿个高能量的质子到探测器上。这么多的质子输入探测器所产生的放射线会彻底破坏探测器,对工作人员也是非常危险的。因此,必须发展全新的、非常精确的，在非常强的放射线下,能正常工作的全部仪器，也必须设计安全的屏蔽系统。按照屏蔽设施图(图7)：为了放射线屏蔽，先放了10 000 t的水泥，然后放5 t的铀，100 t的铅，还有5 t的肥皂。为什么用肥皂？因为肥皂里面含水最多，水可以阻止慢性的中子。整个加速器把所有的粒子同时发射，也就是说每秒钟发射100亿个粒子，能量是300亿eV。

新发展的粒子探测器，以前是没人做过的。这个探测器多年展于华盛顿的国家科技馆(图8)。以前也没人想到仪器能在这么强的放射性下工作。到了1974年，就是两年以后，实验发现了新的粒子，它有一个奇异的现象，就是寿命比一致的粒子长1万倍。在这种新粒子发现以后，很快同样寿命的其他新粒子也被发现了。它的重要性很容易了解。在山东，人都活到100岁左右，但忽然有一个村子，人不是100岁，是100万岁，这些人就和普通人不一样。这就表示宇宙中有新的物质存在，它一定是新的夸克粒子，我们把它命名为J粒子(图9)。