2003年7月30日，高能物理研究所在北京宣布，北京譜儀國際合作組在5800萬J/ψ事例的數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)了一個新的短壽命粒子，質(zhì)量為18.59億電子伏特，自旋為0。這種短壽命粒子通常被稱作共振態(tài)。這個重要結(jié)果已在國際著名雜志《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.）上發(fā)表,并引起了國際高能物理界的高度重視。各新聞媒體紛紛對此事作了報道，許多人由此對共振態(tài)產(chǎn)生了濃厚的興趣：什么是共振態(tài)？世界上最早發(fā)現(xiàn)共振態(tài)的是誰？新發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)有什么意義？

壽命極短的粒子被稱作為共振態(tài)。當(dāng)粒子壽命短于10^-10s～10^-12s時，很難在探測器中留下徑跡而直接被探測到，只能通過其衰變產(chǎn)物的反應(yīng)截面來觀測。在研究原子核的散射和反應(yīng)過程中，當(dāng)入射粒子能量取某一確定值時，散射或反應(yīng)的截面突然變大，截面隨能量的變化曲線和力學(xué)中的共振曲線完全類似，因而被稱為共振態(tài)。用量子力學(xué)可以證明，這種共振現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于在該能量附近，入射粒子與原子核結(jié)合成為一個亞穩(wěn)復(fù)合核。經(jīng)過一定時間后這亞穩(wěn)復(fù)合核衰變?yōu)槟B(tài)粒子,這類亞穩(wěn)復(fù)合核被稱為共振態(tài)。共振態(tài)具有和穩(wěn)定的強子類似的量子數(shù)，諸如自旋、宇稱、同位旋、奇異數(shù)和粲數(shù)等等，只是它可以通過強相互作用衰變。其壽命一般短到10^-20s～10^-24s。

1953年，來自意大利的科學(xué)家費米(Enrico Fermi,1901-1954)（左圖）和他的同事安得森（Herbert Anderson）(右圖)在美國芝加哥大學(xué)的同步回旋加速器上做實驗時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子—介子系統(tǒng)中的第一個共振態(tài)，但是那時候人們并未想到有這么多共振態(tài)。

1952年，美國物理學(xué)家格拉塞(Donald Arthur Glaser)（左圖）制成了世界上第一臺泡室（右圖為格拉塞和他的泡室），在乙醚泡中顯示了宇宙射線中粒子的徑跡。這以后有好幾個物理研究組開始將泡室用于高能物理研究，不斷研究和發(fā)展泡室技術(shù)。

氣泡室在高能物理研究中起了重要的作用，人們首先在質(zhì)子—反質(zhì)子的湮沒中發(fā)現(xiàn)了一些共振態(tài)，后來在各種反應(yīng)中出現(xiàn)了幾十個、幾百個共振態(tài)。60年代中，物理學(xué)家們一直在忙于尋找共振態(tài)，直到今天，這項工作仍在繼續(xù)進行著。由于格拉塞對高能物理學(xué)的杰出貢獻，他獲得了1960年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

談到共振態(tài)就一定要談到美國物理學(xué)家阿爾瓦雷斯（Luis Walter Alvarez，1911—1988）（左圖），由于阿爾瓦雷斯發(fā)展了氫泡室技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，從而有可能發(fā)現(xiàn)許多共振態(tài)，大大促進了粒子物理學(xué)的發(fā)展，把人們對物質(zhì)世界的研究提高到了一個新的階段。

阿爾瓦雷斯1911年6月13日出生于美國加利福尼亞州的舊金山，阿爾瓦雷斯在芝加哥大學(xué)原來主修的是化學(xué)，但他認為化學(xué)和數(shù)學(xué)都不大適合他的條件，乃轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)物理。阿爾瓦雷斯1934年獲碩士學(xué)位，1936年獲博士學(xué)位，后到伯克利加州大學(xué)勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958）（右圖）任主任的輻射實驗室工作。

阿爾瓦雷斯參加過許多重大的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究項目。他所在的伯克利輻射實驗室成了核物理學(xué)的研究中心，費米當(dāng)時就在這里工作。

1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929—）（左圖）提出大多數(shù)基本粒子都是由更新的粒子夸克組成的，他將夸克分為3種：上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s）。他說：“如果我們允許電荷為非整數(shù)值，那么可以構(gòu)造一個簡單而優(yōu)美的方案”，即上夸克、下夸克和奇夸克的電荷數(shù)分別為2/3、-1/3、-1/3，質(zhì)子是由兩個上夸克、一個下夸克組成的；中子則是由一個上夸克、兩個下夸克組成的。

蓋爾曼的夸克模型（右圖）為以后的科學(xué)實驗所證實，他本人則由于這一成就而榮獲1969年諾貝爾物理獎?！?/FONT>

1974年，丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）（左圖一）和里克特（Burton Richter）（左圖二）分別獨立地發(fā)現(xiàn)了新粒子J/ψ，其質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的三倍，壽命比共振態(tài)的壽命長上萬倍，原有的夸克理論已無法解釋新的實驗事實，因此引入了第四種夸克——粲夸克（c）。

1977年美國科學(xué)家萊德曼（Ｌeon Max Lederman）（右圖）發(fā)現(xiàn)了由第五種更重的夸克——底夸克（b）構(gòu)成的強子。根據(jù)理論上的對稱性，物理學(xué)家預(yù)言應(yīng)該存在第六種夸克稱為頂夸克（t）。

為了尋找頂夸克（t）的蛛絲馬跡，各國物理學(xué)家整整奮斗了17年。美國、西歐中心、德國、日本等國不惜巨資建造一個個大型高能加速器。美國費米實驗室的頂夸克組對有疑問的夸克的軌跡做了幾千次的測量（右圖），終于在1994年4月26日找到了頂夸克存在的證據(jù)（左圖為示意圖）。

北京譜儀國際合作組新發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)是在分析J/ψ的輻射衰變到質(zhì)子反質(zhì)子過程中找到的，即丁肇中教授和里希特教授1974年發(fā)現(xiàn)的、由一對正反粲夸克組成的J/ψ粒子衰變到光子和這個新共振態(tài)，此共振態(tài)再衰變到質(zhì)子反質(zhì)子對。J/ψ的衰變研究是研究輕強子譜和尋找新粒子的理想物理過程。

分析結(jié)果表明: 這個新共振態(tài)的質(zhì)量為18.59億電子伏特, 寬度小于0.3億電子伏特（左圖）。需要特別指出的是，它的質(zhì)量小于質(zhì)子和反質(zhì)子的質(zhì)量之和。此前在分析北京譜儀改造前在二十世紀(jì)九十年代初獲取得的800萬事例數(shù)據(jù)時就發(fā)現(xiàn)這個共振態(tài)存在的跡象，但當(dāng)時由于統(tǒng)計量有限，不足以確定為新共振態(tài)。

北京正負電子對撞機和北京譜儀在1999年初完成了升級改造，整體綜合性能大幅度提高。在此后兩年的運行中，北京譜儀獲取了5800萬的J/ψ事例，比世界上其他實驗組高一個數(shù)量級以上(右圖)。北京譜儀國際合作組對這些數(shù)據(jù)進行了深入細致的分析和研究后發(fā)現(xiàn)了新粒子，可見高統(tǒng)計量對新發(fā)現(xiàn)的至關(guān)重要。

目前，已明確排除這個新共振態(tài)用任何已知的共振態(tài)來解釋的可能性，從而確認是一個新的粒子。粒子物理把由夸克、反夸克組成的粒子稱為強子，之前的實驗觀察到的強子都是由兩個或三個夸克（反夸克）組成的。

尋找多夸克態(tài)一直是國際高能物理實驗的重要目標(biāo)。在實驗上早期發(fā)現(xiàn)的數(shù)百個介子共振態(tài)和重子共振態(tài)中，都沒有多夸克態(tài)的確鑿證據(jù)。最近，國際上有幾個實驗組在進行這方面的探索，并取得了顯著進展。北京譜儀國際合作組新發(fā)現(xiàn)的粒子由于特有的性質(zhì)，尤其是很窄的寬度而很難歸結(jié)為通常的夸克—反夸克結(jié)合態(tài)，因而被推測為可能是一種多夸克態(tài)。有些物理學(xué)家認為，所發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)粒子可能是重子反重子束縛態(tài)，類似于氘核是質(zhì)子和中子組成的束縛態(tài)。

歐洲核子研究中心著名的理論物理學(xué)家J.Ellis最近在一篇評論國際高能物理研究在這個領(lǐng)域的最新進展的文章中，高度評價了北京譜儀的這一發(fā)現(xiàn)及其對發(fā)展強相互作用理論的重要意義。中外物理學(xué)家正對這個新共振態(tài)的性質(zhì)和衰變特性從理論和實驗上進行深入的研究和討論。

（高能所科研處制作 有關(guān)材料來自www.phypro.org、“高中物理參考”等）