網(wǎng)站地圖聯(lián)系我們English中國(guó)科學(xué)院
您現(xiàn)在的位置:首頁(yè) > 科學(xué)傳播 > 科普?qǐng)@地 > 粒子物理
關(guān)于“共振態(tài)”的故事
2009-07-22 |文章來(lái)源: | 瀏覽次數(shù):  |

2003年7月30日,高能物理研究所在北京宣布,北京譜儀國(guó)際合作組在5800萬(wàn)J/ψ事例的數(shù)據(jù)分析中,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(gè)重要結(jié)果已在國(guó)際著名雜志《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett.)上發(fā)表,并引起了國(guó)際高能物理界的高度重視。各新聞媒體紛紛對(duì)此事作了報(bào)道,許多人由此對(duì)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(shuí)?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10-10s10-12s時(shí),很難在探測(cè)器中留下徑跡而直接被探測(cè)到,只能通過(guò)其衰變產(chǎn)物的反應(yīng)截面來(lái)觀測(cè)。在研究原子核的散射和反應(yīng)過(guò)程中,當(dāng)入射粒子能量取某一確定值時(shí),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(gè)亞穩(wěn)復(fù)合核。經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(qiáng)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(guò)強(qiáng)相互作用衰變。其壽命一般短到10-20s10-24s

     

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

1952年,美國(guó)物理學(xué)家格拉塞(Donald Arthur Glaser)(左圖)制成了世界上第一臺(tái)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(gè)物理研究組開(kāi)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(méi)中發(fā)現(xiàn)了一些共振態(tài),后來(lái)在各種反應(yīng)中出現(xiàn)了幾十個(gè)、幾百個(gè)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(xiàng)工作仍在繼續(xù)進(jìn)行著。由于格拉塞對(duì)高能物理學(xué)的杰出貢獻(xiàn),他獲得了1960年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

談到共振態(tài)就一定要談到美國(guó)物理學(xué)家阿爾瓦雷斯(Luis Walter Alvarez,19111988(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(jìn)了粒子物理學(xué)的發(fā)展,把人們對(duì)物質(zhì)世界的研究提高到了一個(gè)新的階段。

阿爾瓦雷斯1911613日出生于美國(guó)加利福尼亞州的舊金山,阿爾瓦雷斯在芝加哥大學(xué)原來(lái)主修的是化學(xué),但他認(rèn)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(shí)驗(yàn)室工作。

阿爾瓦雷斯參加過(guò)許多重大的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究項(xiàng)目。他所在的伯克利輻射實(shí)驗(yàn)室成了核物理學(xué)的研究中心,費(fèi)米當(dāng)時(shí)就在這里工作。

    

1964年,美國(guó)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(shuō):“如果我們?cè)试S電荷為非整數(shù)值,那么可以構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)上夸克、一個(gè)下夸克組成的;中子則是由一個(gè)上夸克、兩個(gè)下夸克組成的。wpeD.gif (10470 字節(jié))

  

kuake.gif (7310 字節(jié))  

蓋爾曼的夸克模型(右圖)為以后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí),他本人則由于這一成就而榮獲1969年諾貝爾物理獎(jiǎng)?!?/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(dú)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,lederman.jpg (23545 字節(jié))壽命比共振態(tài)的壽命長(zhǎng)上萬(wàn)倍,原有的夸克理論已無(wú)法解釋新的實(shí)驗(yàn)事實(shí),因此引入了第四種夸克——粲夸克(c)。

 

1977年美國(guó)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(qiáng)子。根據(jù)理論上的對(duì)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)。

  

 

top-quark-d0.jpg (83711 字節(jié))為了尋找頂夸克(t)的蛛絲馬跡,各國(guó)物理學(xué)家整整奮斗了17年。美國(guó)、西歐中心、德國(guó)、日本等國(guó)不惜巨資建造一個(gè)個(gè)大型高能加速器。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的頂夸克組對(duì)有疑問(wèn)的夸克的軌跡做了幾千次的測(cè)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(guó)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(guò)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(duì)正反粲夸克組成的J/ψ粒子衰變到光子和這個(gè)新共振態(tài),此共振態(tài)再衰變到質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)。J/ψ的衰變研究是研究輕強(qiáng)子譜和尋找新粒子的理想物理過(guò)程。

分析結(jié)果表明: 這個(gè)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(wàn)事例數(shù)據(jù)時(shí)就發(fā)現(xiàn)這個(gè)共振態(tài)存在的跡象,但當(dāng)時(shí)由于統(tǒng)計(jì)量有限,不足以確定為新共振態(tài)。wpe1.gif (4810 字節(jié))

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀在1999年初完成了升級(jí)改造,整體綜合性能大幅度提高。在此后兩年的運(yùn)行中,北京譜儀獲取了5800萬(wàn)的J/ψ事例,比世界上其他實(shí)驗(yàn)組高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上(右圖)。北京譜儀國(guó)際合作組對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析和研究后發(fā)現(xiàn)了新粒子,可見(jiàn)高統(tǒng)計(jì)量對(duì)新發(fā)現(xiàn)的至關(guān)重要。

目前,已明確排除這個(gè)新共振態(tài)用任何已知的共振態(tài)來(lái)解釋的可能性,從而確認(rèn)是一個(gè)新的粒子。粒子物理把由夸克、反夸克組成的粒子稱為強(qiáng)子,之前的實(shí)驗(yàn)觀察到的強(qiáng)子都是由兩個(gè)或三個(gè)夸克(反夸克)組成的。

尋找多夸克態(tài)一直是國(guó)際高能物理實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)上早期發(fā)現(xiàn)的數(shù)百個(gè)介子共振態(tài)和重子共振態(tài)中,都沒(méi)有多夸克態(tài)的確鑿證據(jù)。最近,國(guó)際上有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行這方面的探索,并取得了顯著進(jìn)展。北京譜儀國(guó)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(cè)為可能是一種多夸克態(tài)。有些物理學(xué)家認(rèn)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(píng)論國(guó)際高能物理研究在這個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展的文章中,高度評(píng)價(jià)了北京譜儀的這一發(fā)現(xiàn)及其對(duì)發(fā)展強(qiáng)相互作用理論的重要意義。中外物理學(xué)家正對(duì)這個(gè)新共振態(tài)的性質(zhì)和衰變特性從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行深入的研究和討論。

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


中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所    備案序號(hào):京ICP備05002790號(hào)
地址:北京市918信箱    郵編:100049    電話:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn