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(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？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(shí)，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(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，只是它可以通過強(qiáng)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(fèi)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(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(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(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(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(gè)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(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。

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，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(shí)驗(yàn)事實(shí)，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(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）。

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(gè)個(gè)大型高能加速器。美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的頂夸克組對(duì)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(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)。

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，都沒有多夸克態(tài)的確鑿證據(jù)。最近，國際上有幾個(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(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)材料來自www.phypro.org、“高中物理參考”等）