宇宙是什么

9. 证实夸克理论的“十一月革命”

  当时，相当多的研究者都对夸克理论持怀疑态度。由于夸克理论与之前的理论存在一些相悖之处，因此它总会让物理学家感到不舒服。不过，后来证实该理论的实验结果不断被发表出来，研究者们也不得不接受这个理论了。

  在这些验证夸克理论的实验中，最先进行的实验是用加速后的电子轰击质子的实验。

  因为电子不与强力发生反应，所以有人认为这种做法很愚蠢：“用电子研究强力，这究竟是想干什么？”其实，这是一个设计得很好的实验。如果对撞粒子双方都是与强力反应的粒子，那么由于双方粒子均会发生变化，观察对象就变成了两个。实验中选择用电子，正是因为电子与强力没有关系，不会成为“被观察的对象”，所以它可以以“清白之身”充当“调查工具”。如此，研究者就能在出现的纷繁现象中，专心去调查质子的状态了。

  用高能加速的电子轰击质子后，发生了与卢瑟福的实验类似的现象，即偶尔会出现电子被质子“弹回”的情况。这表明质子也有“内部结构”。

  不过，仅靠这些还不足以证明质子的内部结构如夸克理论所言。另外，还有实验结果看上去与夸克理论存在矛盾之处，即电子轰击质子时，质子内部的粒子看上去是在自由活动的。

  夸克理论认为，夸克无法被单独取出，它们被“强力”这一强大的作用力封闭了起来。因此，夸克能像自由粒子那般活动，是非常奇怪的。

  不过，1974年11月，物理学史上革命性的实验消除了这一疑虑。实际上，该实验在物理学家的圈子里被称为“十一月革命”。

  这一革命性实验的舞台有两处。其中一处在美国的东海岸，即纽约长岛的布鲁克海文国家实验室（BNL）。在该实验室中，丁肇中领导的团队，进行了用高能质子轰击铍靶去生成电子和正电子的实验。

  另一处舞台在美国的西海岸，即加州斯坦福直线加速器中心（SLAC）。在这里，伯顿·里克特领导的团队的实验模式与BNL的模式刚好相反，他们进行的是让电子与正电子撞击从而生成强子的实验。

  虽然两个实验的探索方向相反，但双方几乎同时发现了相同的粒子。东海岸的丁肇中团队率先提交了论文，日期为1974年11月12日。他们检测出了寿命非常长的介子，该粒子是电子与正电子湮灭的证据。由于该团队的领导丁肇中名字中的汉字“丁”酷似字母“J”，因此他们将发现的新粒子命名为“J粒子”。

  西海岸的团队提交论文的日期为1974年11月13日，比东海岸的团队晚了一天。其论文也是关于检测出长寿介子的内容，他们给新粒子起的名字为“ψ粒子”。在当时的论文集中，东海岸团队的J粒子被刊登在第1405页，西海岸团队的ψ粒子被刊登在第1406页。这还真是“一页之差”的惊险较量。

  两个团队发现的粒子其实是同一种介子，该粒子现在被称为“J/ψ介子”。这一新发现，在当时的物理学领域中掀起了轩然大波。

  当然，发现新介子本身并不是什么罕见的事。但是，它意味着人类发现了数年前被预测存在的新夸克。J/ψ介子是由粲夸克和反粲夸克构成的介子。

  东西海岸的实验团队领导丁肇中和里克特，在两年后的1976年获得了诺贝尔物理学奖。西海岸团队虽然晚了一天提交论文，但也获得了同样的荣誉。不过，也有人因论文的提交时间而哭泣。在刚才提到的论文集中，第1407页也刊登了关于相同介子的论文。该论文由意大利的研究团队提交，日期为1974年11月18日。不幸的是，这个团队未能获得诺贝尔物理学奖。