谈夸克 [复制链接]

第10版(科技园地)
专栏：

　　谈夸克
徐迟
漫游夸克奇境
６０年代初，除了还有一些基本粒子可供研究之外，物理学家似乎已处在失望的边缘上。幸亏理论物理学家跑来帮忙，说全部的新粒子中间，都可以用三个假想的单位来解释清楚，这单位名字叫作什么？“夸克”。
当时是已经有相当多粒子要对付的。加州科技大学的盖尔曼和以色列的物理学家奈艾曼，想到要把数学的对称方法，来用在三十多个当时已知的强粒子、重粒子身上。一个一个的，他们发现这些粒子可以归入到八大家族中去，或十大家族中去，而和几何图案很适应。这倒跟前一个世纪的门捷列夫编制元素周期表时的情况有点相似。
起先大家并不重视这种方式。但是到１９６３年１２月，人们发现了盖尔曼十多年前用这种方式曾预言的带负电的奥米茄，一下子便使大家正襟危坐，为之全神贯注了。对称观念还真有两下子呢。盖尔曼和他的加州同事茨魏格就演说了一番，说出他们俩是如何很自然地按对称方法，用不同的数学模式，得到了六个基本成员的。盖尔曼称它们为“夸克”。
什么是“夸克”？它来源于赫赫有名的爱尔兰大作家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬乃庚醒来》里的一句话：“给麦克先生的三个‘夸克’（ＴｈｒｅｅｑｕａｒｋｓｆｏｒＭｉｓｔｅｒＭａｒｋ）”。乔伊斯的这部书是１９３９年出版的，他在文学上作了卓有声誉的文字实验。为担心用了这样革命性的名字可能通不过，盖尔曼就在１９６４年把他的论文送到了一家欧洲的出版社去，出了书，书里还引用了乔伊斯的原话。从此“夸克”这名字就广泛地流传开来了。足见这盖尔曼对文学和文字也是真有点研究的。
上面说明了它的命名来历。它们一共是六个“夸克”，可以分成三个小组。第一小组的两成员，一名“上夸克”（代号ｕ），一名“下夸克”（代号ｄ）。第二小组的两成员，一名“奇夸克”（代号ｓ），一名“粲夸克”（代号ｃ）。第三小组的两成员，一名“底夸克”（代号ｂ），一名“顶夸克”（代号ｔ）。他们就是组成质子、中子等基本粒子的砖瓦。
说是物质现在有了又一个层次，就是那新发现的，带着分数电荷的又一个层次，真是不能令人相信。除了它的分数电荷之外，还有其他的因素，也令人接受不了它。例如，这新发现的奥米茄负粒子，虽然给“夸克定律”带来了新的胜利，也带来了它另外的一个难题。这个奥米茄负粒子很明显的是三个同样的“奇夸克”一起组成的，这就跟物理学家泡利曾经定下来的“泡利不相容原理”不合拍，那可是不能容许的。
为了解决这个难题，物理学家格林倍建议，再给夸克增加一个“色彩”的区别。这样一来，夸克带上了色彩，共有三色：红、绿、蓝。这样三个同样的奇夸克中间，每一个的色彩都可以是各不相同的。而色彩不同的三个就可以合在一起，成了一个色彩中和起来的白色（不过这个“色彩”，并不是我们日常的概念，这是不可以误会的）。
在“夸克”的概念平平稳稳地定当了之后，物理学家就感觉到基本粒子的许多现象，都有了简明的解释。
“夸克”的猎取
在加利福尼亚州的斯坦福大学附近，２８０号公路跨过一个三公里长的斯坦福直线加速器中心。它就是最先证明“夸克确实存在的”试验场景的所在地。
“夸克”很迷人，很简单，却不肯公开地出头露面。试验者在宇宙线里寻找它，在陨石上寻找它，在海底下寻找它，都未找到。在高能的质子受到轰击后，也没有一个“夸克”飞出来。公开的解释是：“夸克”非真物，它只是符合于“宇宙中一切皆对称”的数学观念罢了。二次大战后，斯坦福大学用了新的强大的电子光流，曾看到质子，后来就建筑了上面说到的直线加速器ＳＬＡＣ。它于１９６７年才开始启动。在许多次试验中，他们想的就是要看到比电子更新的轻粒子。起初还不敢说，是找“夸克”，但是在粉碎了的质子中间，他们找到了极其微小而又极其坚硬的“部分子（Ｐａｒｔｏｎｓ）”。其实他们已经找到了“夸克”，只是没有敢这么说出来。
然后是在瑞士的“舍恩”的大加速器上，在对中子进行的一次试验中，他们看到了这种“部分子”，而且是在每一个中子之中都有三个这样的“部分子”。盖尔曼的数学预言终于成了“夸克”的真实的存在。
２２年后，ＳＬＡＣ在１９９０年，才得到了在１９６８年已在科学会议上报告而未明言的首次发现“夸克”的功勋，获得了诺贝尔奖。
在１９７４年，美国的两个试验里使一个更了不起的新的基本粒子曝了光。炎黄子孙丁肇中，给现代科学献出了一篇新的美文。他和斯坦福大学的李希特合得１９７６年的诺贝尔奖，为的是他们各自在１９７４年１１月进行了一场发现Ｊ／?粒子的“十一月大革命”。
丁把他找到的高能粒子叫作Ｊ粒子，看来Ｊ这个字母很像他的姓，很像“丁”字。Ｊ粒子的发现令夸克家族添了个成员，它竟然就是“粲夸克”了！
在斯坦福大学的那位同道者，名叫李希特的，在一次试验负电子与正电子的对撞中，在某一种能量时，信号量突然大增。在成堆的数据资料的旮旯里，他发现了一个质量很大的高能粒子，叫?粒子。而当丁肇中来到斯坦福，了解到李希特的发现时，他就知道自己发现的实在也是这个同样的粒子。因此，这个粒子现在合起来，叫作Ｊ／?粒子。要看到这个夸克还是很不容易的。
到１９７５年，斯坦福大学一位彼尔先生又发现了一个相对于电子和“牟盎”（ｍｕｏｎ）粒子来说，可谓超重质量的“陶”?粒子，而且还有一个叫陶—中微子的反粒子。这样一来，本来已有轻粒子的数目四个：电子、电子—中微子、牟盎、牟盎—中微子，它们正好陪伴着上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克。现在又增加了两个轻粒子：陶子、陶—中微子了，增加了两个，要平衡它们，就得也增加两个夸克，才能稳当。物理学家决定加上一个顶夸克和一个底夸克（最初想过叫它们一个为真理夸克，一个为美丽夸克，后来物理学家认为，物理学的用词，要朴素一些，才改一个为“顶”，一个为“底”）。
我们的粒子物理学，现在已经由盖尔曼组装成了一个“标准模型”，从中我们可以了解到宇宙的根本程序。一切物质都是用１２个基本粒子组成的。它们可以分为三家，每家四口，其中都是夸克一对以及和它们紧密相连的轻粒子一对。
第一家是上、下两夸克、电子和电子—中微子。正是它们四者，构成世界上的一般事物，掌握着日常现象。上、下夸克组成质子和中子，从而形成原子核，原子核吸引了电子而后组成许多的原子，这许多原子结成分子，就这样构成了我们丰富多彩的物质世界。
再有另外的两家，都是跟这第一家同样模型似的，构成了只有在宇宙线和高能物理试验中，才能出现的不稳定粒子。奇夸克、粲夸克，以及牟盎、牟盎—中微子组成了第二家。顶夸克、底夸克、陶、陶—中微子组成了第三家。
夸克似乎都找到了。物理学家还有什么事好做呢？他们还要建更大的加速器。为什么“舍恩”还要搞ＬＨＣ（大型强子对撞机）？那是要找黑格斯粒子，因为粒子的质量都来自于黑格斯机理，影响一切，甚至真空。所以找到夸克，并不是一切都解决了，前面的路还很长。（附图片）
徐迟近照。　张新学摄