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许多诺贝尔奖是撞出来的

(2020-01-14 16:47:30) 下一个

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?

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评论
赌城看客 回复 悄悄话 谢谢来访。
一些人希望中国建环形粒子对撞机能找出新的粒子,如第四代夸克t'和b'等。
而反方不看好。
Stegy223 回复 悄悄话 “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。”

好文! 博主似乎暗示这台高能对撞机与验证超弦理论有关。但当今技术是根本无法达到直接测String 层次的能量级别的。似乎仍是夸克层次的作用?

“The electron beam will reveal the arrangement of the quarks and gluons that make up the protons and neutrons of nuclei. The force that holds quarks together, carried by the gluons, is the strongest force in Nature. The EIC will allow us to study this “strong nuclear force” and the role of gluons in the matter within and all around us.”
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