许多诺贝尔奖是撞出来的
文章来源: 赌城看客2020-01-14 16:47:30

上周四(1月9日)各种媒体纷纷报道美国能源部官员宣布,物理学家的下一个梦想有望在纽约实现:能源部将在布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,BNL)建造新型电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider,EIC),让高能电子束冲撞质子,探究质子“内心”的奥秘。EIC的建造成本介于16亿至26亿美元之间,拟于2030年投入使用。

原子的组成

直到一百年多前哲学家一直认为原子(atom)是不可切分的粒子。但是:

1897年约瑟夫·汤姆孙(Joseph Thomson)发现了原子里有带负电的电子(electron),1906年他获得诺贝尔物理学奖。

新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)在实验中发现某些放射性元素会放射出粒子而发生衰变,他将两种不同的射线分别命名为 α 和 β 射线線,1908年他被授予的诺贝尔化学奖。同年卢瑟福同实验助手汉斯·盖革(Hans Geiger)用 α 粒子撞击金箔发现相当可观的散射。随后卢瑟福指导盖革和大学生欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden)继续做 α 粒子撞击金箔的实验,根据这些实验,卢瑟福1911年提出原子是有带正电的原子核和外圈的电子云组成。

1917年卢瑟福用 α 粒子撞击氮气时他的闪光探测器纪录到氢核的迹象,1924年使用云室(cloud chamber)证实了该实验,卢瑟福认为实验得到带正电的的氢原子核为基础粒子,定名为质子(proton)。

1931年英国物理学家约翰·考克饶夫(John Cockcroft)和爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿(Ernest Walton)一同发明了粒子加速器,它采用二极管/电容器倍压电路升高电压的方式加速质子。在他俩的帮助下1932年詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现了中子(neutron),并于1935年获得了诺贝尔物理学奖。他俩因开拓人工“撞开原子”的新篇章,共同获得了1951年诺贝尔物理学奖。

至此,我们知道了原子是由质子、中子和电子组成。不过,物理学家又开始探索质子和中子是否由更小的粒子组成?

基本粒子

通过许多理论和实验物理学家的不断努力,特别是1954年杨振宁和博士生米尔斯一起提出著名的Yang-Mills非阿贝尔规范理论开始,科学家逐步完成了“粒子物理标准模型”:

标准模型中的基本粒子分别是夸克(quark,图中用紫色表示)有6种,每种又分成3个色(红绿蓝),分别叫红上夸克、绿上夸克、蓝上夸克、红下夸克、...、蓝底夸克等18种,每一种又有对应的反粒子,即反红上夸克、...、反蓝底夸克等18种。轻子(lepton,图中用绿色表示)有6种,加上6种对应的反粒子,即电子和正电子(反电子,Positron)、...、τ中微子和反τ中微子共12种。右侧红色一列有胶子(gluon)8种,光子(Photon)1种,Z玻色子(boson)1种,W玻色子2种,再加上最右边黄色的希格斯玻色子(Higgs boson)1种,所以基本粒子有(6 x 3 x 2)+(6 x 2)+(8 + 1 + 1 + 2)+ 1 = 61种。

这个标准模型预示着质子和中子可以被撞开,分成更小的基本粒子。就像用锤子砸开核桃才能看到其中的奥秘。

撞开它,有发现就得奖

现在来看看这个标准模型中基本粒子的发现过程:质量最轻粒子的最容易发现,不断增加加速器的能级才能发现质量重的粒子;发现新粒子就可能得诺贝尔奖。

1955年,加州大学柏克莱分校物理学家埃米利奥·塞格雷(Emilio Segrè)和欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)透过粒子加速器,而发现了质量为938.3 MeV的反质子,他们二人于1959年获得诺贝尔物理学奖。

1956年,美国物理学家布鲁斯·考克(Bruce Cork)在劳伦斯伯克利国家实验室用质子和反质子碰撞发现了质量为939.6 MeV的反中子(antineutron)。

1956年小克莱德·科温(Clyde Cowan Jr)和弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)等人共同发现了质量极小但不为0 的电中微子,1995年莱因斯获诺贝尔物理学奖的一半,科温已于1974年12月去世。

1967年,斯坦福直线加速器进行的的深度非弹性散射实验中证实了质量为2.3MeV 的上夸克和质量为4.8 MeV 的下夸克存在。1968年斯坦福直线加速器证实质量为95MeV 的奇夸克存在。

1962年,美国物理学家利昂·萊德曼(Leon Lederman)发现了质量为105.66 MeV的 μ中微子,因此获得1988年诺贝尔物理学奖。另外他1977年发现了质量为4.18 GeV的底夸克

1974年,美国物理学家伯顿·里克特(Burton Richter)帶领的斯坦福的SLAC国家加速器实验室团队发现一种新的次原子粒子,並命名为ψ介子;同一時期,由丁肇中领导的布魯克黑文国家实验室也发现相同的新次原子粒子,並且命名为J介子。粲夸克和它的反粒子可以組成J/ψ介子。他俩1976年共同获得诺贝尔物理学奖。

1975年,马丁·佩尔(Martin Perl)发现质量为1.776 GeV的 τ子,获1995年诺贝尔物理学奖的另一半。

1983年,意大利物理学家卡洛·鲁比亚(Carlo Rubbia)和荷兰物理学家蒙·范德梅尔(Simon van der Meer)在欧洲核子研究组织共同发现了质量为80.399 GeV的W玻色子及质量为91.1876 GeV的Z玻色子,因此获得1984年诺贝尔物理学奖。

1973年小林诚和益川敏英预测存在顶夸克和底夸克,但由于粒子加速器能量不足只能等待。1995年大型強子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)的两个团队找到了质量为176 GeV的顶夸克。小林诚和益川敏英获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

费米实验室在20世纪90年代启动的DONUT(Direct Observation of the Nu Tau)实验,专门用加速器检测 τ中微子,2000年7月抓到了这个“标准模型”中的最后一个轻子。

2012年7月4日欧洲核子研究组织宣布大型強子对撞机的的紧凑μ子线圈(CMS)探测器发现质量为125.3 GeV的新玻色子,超环面仪器(ATLAS)探测器发现质量为126.5 GeV的新玻色子。2013年3月14日正式确认新玻色子是希格斯玻色子。至此标准模型中的61种基本粒子全部找到。因此,预言家比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)荣获2013年诺贝尔物理学奖。

而发现胶子、上夸克、下夸克、奇夸克、顶夸克、希格斯玻色子是由实验团队多人完成,所以不能获得诺贝尔奖。

到此为止,理论物理学家设计的“标准模型”所列粒子已全部发现。

注:1,000 eV = 1 KeV(千电子伏特),1,000 KeV = 1 MeV(百万电子伏特),
    1,000 MeV = 1 GeV(十亿电子伏特),1,000 GeV = 1 TeV(万亿电子伏特)。

对撞机-加速器

1924年瑞典物理学家古斯塔夫·伊辛 (Gustav Ising)提出用高压电加速粒子的设想。

1928年挪威物理学家Rolf Widerøe完成第一台直线加速器。

本文开头提到的布鲁克海文国家实验室(BNL)1948年开始建造第一台质子同步加速器,是世界上首台将粒子加速到10亿电子伏特级(GeV)的加速器。1953年建成时达到3.3GeV。

1966年斯坦福直线加速器开始运行,1972年建造了斯坦福正负电子非对称环(SPEAR),后来又建造了两台加速器,即正负电子工程(PEP)4.5 GeV和2008年10月斯坦福直线加速器(Stanford Linear Accelerator Center,SLAC)国家实验室,可将电子加速到50 GeV,2017年预算3.83亿美元。

1984年投资2.4亿元RMB开建北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider,BEPC)2×2.2 GeV。

欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。可将两束质子分别加速到14 TeV(14万亿电子伏特),耗资100亿美元。

计划中的中国环形粒子对撞机,对撞能级为 70 TeV,计划耗资200亿美元。

高能物理走向

一方认为需要建造更大的加速器,可能找到更多的粒子。

另一方认为说高能物理已走到尽头:

杨振宁认为,“The party is over”(寻找基本粒子的盛宴已结束)。他是说由于“标准模型中基本粒子”的基本粒子均已找到,没有必要花大钱高能量的对撞机-加速器了。杨振宁认为:“找超对称粒子已经有很多年了,完全落空。今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子,只是部分人的一个猜想。多数物理学家,包括我在内,认为超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。”

来自台湾的王孟源(曾就读与台湾清华大学物理系,后在哈佛大学取得物理学硕士及博士学位)曾写过“高能物理的绝唱”等博客,他与杨振宁的看法相同。他认为丘成桐是超弦理论的参与者和支持者,自然支持搞高能量的对撞机-加速器以验证超弦理论。

除了用对撞机了解微观粒子,还有别的办法吗?