J/ψ粒子是由魅夸克和反魅夸克組成的一類介子，其質量為3.1GeV/c²。J/ψ粒子在正負電子對撞中產額很高，J/ψ粒子的衰變是研究強子譜和尋找新粒子的理想途徑。
基本介紹
- 中文名：J/ψ粒子
- 套用學科：物理、化學
- 成分：魅夸克和反魅夸克
- 性質：介子
發現過程,研究成果,尋找新粒子,資料連結,
發現過程
1976年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州斯坦福直線加速器中心的里克特（Burton Richter，1931—）和美國麻薩諸塞州坎伯利基麻省理工學院的丁肇中（SamuelC.C.Ting，1936—），以表彰他們在發現一種新型的重的基本粒子中所作的先驅性工作。
粒子物理學的發端可以從1932年正電子的發現說起，到了50年代，陸續發現了反質子、π介子、反Λ粒子等等三十多種新粒子，其中穩定的有七種。壽命大多長於10-16秒。後來又發現了許多壽命更短的粒子，這些粒子也叫做強子共振態，是通過強相互作用衰變的。蓋爾曼的夸克模型理論，解釋了這些強子共振態，其預言的Ω-粒子又被實驗證實。這時粒子物理學似乎已經達到了頂峰，沒有什麼事情可做了。然而，正是在這一短暫的沉靜時期，1974年同時有兩個實驗小組，宣布發現了一種壽命特別長，質量特別大的粒子。
這項發現的宣布，打破了沉悶的空氣，使物理學家大為驚訝，推動粒子物理學邁向新的台階。這項新的發現就是由里克特領導的SLAC－LBL合作組所發現的ψ粒子和由丁肇中領導的MIT小組所發現的J粒子。人們統稱之為J/ψ粒子。
SLAC是斯坦福直線加速器中心的簡稱，LBL是勞倫斯伯克利實驗室的簡稱。兩家共同組成一個合作組，為SLAC正負電子對撞機（SPEAR）配製了一台取名為MarkI的磁探測器，目的是探測4GeV的正負電子束對撞後生成的新粒子，探測範圍可從2.4GeV直到4.8GeV。這是當時能量最高的電子對撞機。
1974年初，里克特小組發現在3.2GeV處截面比反常，比鄰近約高30%，當時並未引起注意。同年10月，又發現在3.1GeV處有一反常。後來還陸續有高出3～5倍的截面。這促使他們下決心把機器調回到3.1GeV附近進行精確測量，11月9日終於取得了在3.1GeV處存在狹共振的確切證據，並命名為ψ粒子。接著，又在3.7GeV處發現了ψ粒子的姐妹態，ψ'粒子。
里克特1931年3月22日出生於紐約。1948年進入麻省理工學院，大三時曾參加正電子素實驗，開始接觸到電子-正電子系統。大學的畢業論文題為“氫的二次塞曼效應”，成績優異。研究生期間，里克特測量了水銀同位素位移及其超精細結構。他在工作中要用到回旋加速器，讓短壽命的Hg197同位素和氚核束轟擊金。因此更加激發了對核物理和粒子物理以及所使用的加速器的興趣。他的博士論文題目是“由氫光生π介子”。然後他在斯坦福高能物理實驗室找到工作。他在這裡和同事們合作，建造了一台碰撞束機器，並於1965年開始實驗，結果使量子電動力學的適用性延展至小於10~11cm。
在這之前，里克特就在考慮高能電子-正電子碰撞束機器能用來做些什麼。他特別想研究強相互作用粒子的結構。1963年裡克特來到SLAC，在SLAC主任潘諾夫斯基的鼓勵下，里克特組織了一個小組制定高能電子-正電子機器的最後設計。1964年完成了初步設計，1965年向美國原子能委員會提交了一份經費申請報告，當然這只是申請經費的漫長過程的第一步，以後還為之作過多次奮鬥，直到1970年才得到經費。在這期間，他和小組成員又做了其它實驗，設計並製造了大型磁譜儀的整套裝置的一部分，並利用它進行了一系列π介子和K介子的光生實驗。里克特為了以後製作存儲環作準備，下了很大力氣以求保住已經成立的小組。有了經費之後，工程立即上馬，著手製作大型磁探測器。1973年開始做實驗，終於得到了滿意的成果。
如果說里克特和他的小組是以他們的執著追求精神取得了引人注目的成績，那么，丁肇中和他的小組更是以其嚴謹踏實、一絲不苟的作風得到了科學上的回報。
丁肇中是華裔美籍科學家，1936年1月27日出生於美國密執安州安亞柏市，父親丁觀海是工程學教授，母親王雋英是心理學教授，他們在訪美期間，生下了丁肇中，於是丁肇中從小就成了美國公民。出生後兩個月，與母親一起回到中國。由於戰爭的原因，直到十二歲才受到傳統的教育。1956年丁肇中得獎學金入美國密執安大學，三年後獲得了數學和物理學位，1962年獲得物理博士學位。關於丁肇中的經歷，請讀他的自述：
“當我20歲時，我決定到美國去接受較好的教育，我父母的朋友、密執安大學工程學院的院長G.G.布朗，告訴我父母他很歡迎我去那兒，併到他家住宿。當時我只懂一點兒英語，而且對在美國的生活費用毫不了解，在中國，我通過看書了解到美國許多學生是通過自己勞動掙錢進入大學的，於是，我對父母說我也要這么做。1956年9月6日，我到達了美國底特律機場，身邊帶了100美元，當時好像已很富裕了。我感到有些害怕，因我不認識任何人，而且通信也很困難。”
“由於我是靠得獎學金入學的，故我不得不努力學習以繼續取得獎學金。我在三年內使自己在密執安大學獲得了數學和物理學位，在1962年，在瓊斯和泊爾博士指導下獲得物理學博士學位。”
“我作為一個福特基金會的研究員到了歐洲核子研究中心（CERN）。在那兒我很榮幸能跟柯可尼教授一起搞質子同步加速器，從他那兒學到許多物理知識。他能以簡單的方法對待一個複雜的問題，做實驗相當仔細，這些都給我留下了深刻的印象。”
“1965年春天，我回到美國，在哥倫比亞大學任教。在那些年月里，哥倫比亞大學的物理系是一個很有刺激性的地方，我有機會觀察到如：萊德曼、李政道、拉比、施瓦茨、斯坦博格、吳健雄以及其他教授的工作。他們在物理學上都具有各自的風格和相當突出的鑑別力。我在哥倫比亞短暫的幾年，收益很大。”
“在我到達哥倫比亞大學的第二年，在坎伯利基電子加速器上進行一項由光子同核靶碰撞產生電子正電子對的實驗。看來好像有點違反量子電動力學。於是我仔細地研究了該項實驗，決定重做一次。我與搞西德電子同步加速器的韋伯教授和傑茨凱商量是否可在漢堡進行正負電子對產生的實驗。他們都很熱情地鼓勵我馬上就開始實驗，1966年3月，我離開了哥倫比亞大學到漢堡去進行這個實驗。自那時起，我以全部精力投入到電子對及μ介子對物理、研究量子電動力學和類光粒子的產生和衰變、尋找能衰變成電子對或μ介子對的新粒子。這類實驗的特點是需要高強度入射通量，需要絕對排除大量不需要的背景條件，同時又需要質量解析度高的探測器。”
“為了尋找較大質量的新粒子，我於1972年帶了實驗小組回到了美國，在布魯克海文國立實驗室進行實驗。1974年秋，我們發現了一種新的、完全出乎意料的重粒子——J粒子的證據。自那以後，找到了整族新粒子。”
關於電子-正電子實驗的緣起，丁肇中在領諾貝爾獎的演說詞中作了如下說明：
“1957年夏天，我是紐約暑期班的學生，偶然得到了赫茲堡的經典著作《原子光譜和原子結構》（1937年），從書中我第一次了解到光量子的概念和它在原子物理學中的作用，大學畢業前夕，我收到父親送給我的聖誕禮物：阿希耶澤和貝律茨基合著的《量子電動力學》（1957年）一書的英譯本。在密執安大學學習期間，我仔細讀了這本書，並自己推導了書中的某些公式，後來我在哥倫比亞大學任教的年代，很有興趣地讀了特雷爾1958年的一篇論文。他指出用高能電子加速器在短距離上對量子電動力學（QED）所做的各種檢驗的含義。對於怎樣把某一類費因曼圖從3μ介子的μ介子產生中分離出來，我同布洛茨基合作進行了理論計算。”
為此丁肇中和布洛茨基聯名於1966年發表了一篇論文。
1965年10月，丁肇中受德國漢堡德意志電子同步加速器研究中心（DESY）主任詹希克的邀請，做了e+e-對產生的第一個實驗。他和他的小組使用的探測器具有如下特性：
1.能利用負載循環2%～3%的10-11/s的入射光子流；
2.接受度很大，不被磁鐵的邊緣或禁止物所限制，僅受閃爍計數器決定；
3.所有的計數器並不直接面對靶體；
4.為了排除強子對，切連科夫計數器為磁鐵所分隔，使π介子與第一對計數器中的氣體輻射源相互作用而放出的電子被磁鐵排除，不進入第二對計數器。從第二對計數器放出的低能電子則被簇射計數器排除。
這個實驗的結果表示出量子電動力學正確地描述了粒子對產生過程直到10-14cm。然後，丁肇中小組轉動譜儀的磁鐵，使最大的粒子對質量接受區的中心在750MeV附近，他們觀察到e+e-對的數量有很大的上升，明顯地破壞QED。這種對QED的偏離，事實上是由強作用對e+e-產生的貢獻增加而引起的。這時入射的光子產生重的類光粒子ρ介子，它再衰變為e+e-。它的衰變幾率為α2的量級，為了證明情況確實是這樣，他們做了另外一個實驗，增加e+e-的張角，發現與QED的偏離更大。這是可以預計到的，因為當增加e+e-的張角時，QED過程比強作用過程減少得更快。
約為5MeV，因此丁肇中小組研製了一個質量解析度約為5MeV的探測器。
丁肇中小組的成員們面對的是極其單調的測量工作，可是這不是一般的測量，請繼續聽丁肇中教授的回憶：
“在有些測量中，事件率低，特別在研究大於ρ和ω介子質量範圍的e+e-質譜的實驗裡，當加速器全負載時，e+e-對的產額約為每天一個事件。這就是說，整個實驗室大約有半年光景一直專門只做這個實驗，每天一個事件的事件率還意味著，往往2、3天沒有事件，而在另外的日子裡我們卻得到2、3個事件。正是在這個實驗的過程中，我們形成了每30分鐘把全部電壓檢查一遍和每24小時通過測量QED產額來校準一次譜儀的傳統。為了確保探測器工作穩定，我們還建立了物理學家跟班的慣例，甚至當加速器關機維修時也跟班，我們還從不切斷電源。這樣做的最終效果是，我們的計數室多年來有著與實驗室的其它部分不同的基礎體制。”
“我們經過多年的工作後，學會了怎樣操縱具有負載循環2%～3%，每秒約1011γ的高強度粒子束。同時採用具有大的質量接受度和好的質量解析度△M≈5MeV的探測器，它能以>>108的倍數將ππ從e+e-中辨別出來。”
“我們現在可以提出一個簡單的問題：有多少重光子存在？它們的性質怎樣？對我來說，不能想像只有三種重光子，而且它們的質量都是1GeV左右，為了解答這些問題，我同小組成員反覆討論了怎樣進行實驗。最後我決定1971年在布洛克海文國立實驗室的30GeV質子加速器上首先做一個大型實驗，把探測質量提高到5GeV，探測重光子的e+e-衰變來尋找更多的重光子。”
在諾貝爾獎演說詞中，丁肇中這樣形容準備階段的工作：
“在建造我們的譜儀過程，及整個實驗過程中，我受到很多的批評。問題在於為了達到良好的解析度，必須要造一個非常昂貴的譜儀。一位有名望的物理學家批評說：這種譜儀只適用於尋找窄共振——但並不存在窄共振。儘管這樣，我還是決定按我們原來的設計創造，因為我一般不太相信理論論證。”
“1974年4月我們完成了實驗的布置工作，並開始引入強大的質子束流到實驗區。我們立刻發現，我們計數室里的輻射強度達每小時0.2倫琴。這就是說，我們的物理學家24小時內將要受到最大允許的輻射年劑量。我們花了二、三個星期艱苦地尋找原因，大家為能否繼續進行這項實驗而擔憂。”
“一天，自1966年以來一直同我共事的貝克爾博士帶著蓋革計數器在踱步時，突然發現，輻射的大部分來自禁止區的一個特定的地方。經過仔細研究後，發現即使我們已經用了10000噸混凝土禁止塊，但最重要的區域——束流制動器的頂部——卻仍然根本沒有被禁止！經此糾正之後，輻射強度降到了一個安全值，這樣我們就可以進行實驗了。
“從4月到8月，我們做了例行的調節工作，探測器工作性能符合設計要求。我們能夠利用每秒1012個質子，小型電子對譜儀也工作正常，這使我們能用純電子束來校正探測器。”
經過嚴格認真的反覆核對，奇蹟終於出現了。丁肇中回憶說：
“1974年初夏，我們在4Gev～5GeV的大質量區域裡測定了一些數據。然而，對這些數據所做的分析表明，只存在極少的電子-正電子對。”
“在8月底，我們調整了磁鐵使它能接受2.5GeV～4GeV的有效質量。我們立即看到了乾淨的、真正的電子對。”
“最令人驚奇的是，大部分e+e-對在3.1GeV處形成一個狹峰。更詳細的分析表明，它的寬度小於5MeV。”
經過多方核對後，丁肇中小組確認他們發現了一個當時質量最大的新粒子。後來得知，里克特小組也發現了這一粒子。他們的實驗各有特點。里克特小組是讓e+e-對湮沒以形成矢量介子，是一種形成實驗，而丁肇中小組是利用質子束轟擊鈹靶，產生矢量介子，然後測量矢量介子的衰變產物，則是一種產生實驗。里克特小組和丁肇中小組用不同的設備、經不同的反應過程幾乎同時地發現了同一粒子，使物理學界大為驚喜。他們的發現把高能物理學帶到了新的境界，因此，兩年后里克特和丁肇中就分獲諾貝爾物理學獎。
研究成果
尋找新粒子
2003年7月30日，中國科學院高能物理研究所在新聞通報會上宣布，北京譜儀國際合作組最近發現了一個新粒子。北京譜儀合作組是由高能物理研究所和國內17所大學和研究機構及美國、日本、韓國和英國的物理學家和研究生組成的。
這個新粒子是該合作組通過分析5800萬J/ψ粒子衰變的事例數據，在分析粲粒子輻射衰變到正反質子的過程中發現的。這項研究成果的論文已在世界最具權威和最有影響的期刊《物理學評論快報》(2003年7月)上發表。
這次發現新粒子的訊息頓時引起了各方的廣泛關注。人們都很想知道這是一種什麼樣的粒子？這一新發現有何物理意義？這是不是又是一個突破性的成就？要想回答這些問題，就需要了解一些粒子物理學的有關知識。
人們最初是按粒子的質量大小將它們分為三類，並給每類一個統稱。質量大的叫做重子，例如質子和中子；質量小的叫做輕子，例如電子和幾乎無質量的中微子；大小介於兩者之間的叫做介子，例如π介子。後來根據重子和介子都受強力支配的這一性質，把它們統稱為強子。早期有些物理學家猜測介子由質子和反質子束縛態組成，但被後來夸克模型代替。1964年蓋爾曼等人提出了關於強子結構的夸克模型。在夸克模型中，重子由三個夸克組成，而介子則由正反兩個夸克組成。在初期提出的夸克模型中，只有u、d、s三種夸克。1974年，J/ψ粒子被丁肇中教授和里克特教授各自獨立發現後，三種夸克的理論無法解釋這種長壽命的介子，因此引入第四種夸克，即粲夸克c，而J/ψ粒子是由一個粲夸克(c)和一個反粲夸克組成的。這以後又引入了第五種夸克底夸克b和第六種夸克頂夸克t。到1995年為止，理論上預言的6種夸克都被實驗發現了。
J/ψ粒子在正負電子對撞中產額很高，J/ψ粒子的衰變是研究強子譜和尋找新粒子的理想途徑。北京譜儀獲取的5800萬J/ψ粒子事例比國際上其他同類實驗數據約高一個量級，為物理分析創造了良好的基礎。這個新粒子的壽命非常短，因此也被稱為共振態。所謂共振態，是一種不穩定的強子，它帶有強子的諸如自旋、宇稱、同位旋等各種量子數。共振態粒子一般都是通過強力衰變，因而壽命很短，大約10-20—10-24秒。根據量子力學能量和時間的不確定原理，不穩定粒子沒有確定的質量，其不確定程度稱為寬度(9)，與粒子的壽命(τ)成反比(9=η/τ)。共振態粒子的寬度可以高達幾百MeV，因而說新發現的粒子寬度很窄。儘管這個新發現的共振態的質量略小於質子與反質子的質量之和，正是由於共振態粒子的質量有一定的寬度，使得這個共振態仍有少量粒子的質量大於質子與反質子的質量之和，而衰變成質子與反質子。粒子物理實驗研究在若干粒子的衰變中已觀察到類似的現象。這次新發現的訊息剛剛傳出，歐洲核子研究中心著名的理論物理學家埃利斯(J.Ellis)就在一篇論國際最新進展的文章中評價說：“這一發現和世界上其他新的實驗結果是令人驚異的，對發展強相互作用理論有著重要意義。”諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授也致信高能所表示祝賀，信中評價說：“這是一個十分重要的成果，也是物理學上很有意義的工作。”
尋找多夸克態一直是國際高能物理實驗的重要目標。在實驗上早期發現的數百個介子共振態和重子共振態中，都沒有多夸克態的確鑿證據。最近，國際上有幾個實驗組在進行這方面的探索，取得了顯著進展。而北京正負電子對撞機上的實驗，新發現的粒子由於特有的性質，尤其是很窄的寬度而很難歸結為通常的夸克—反夸克結合態，因而被推測為可能是一種多夸克態。有些物理學家認為，所發現的共振態粒子可能是重子反重子束縛態(多夸克態的一種)。
廣泛和密切的國際合作是高能物理研究基本特點。北京正負電子對撞機從設計之日起，就一直得到國際高能物理界，特別是李政道教授的大力支持。二十多年來，中國科學院和美國能源部每年都舉行會談，重點討論雙方在北京正負電子對撞機和北京譜儀的合作。國家自然科學基金委員會對北京譜儀的研究工作也一直給予大力支持。北京正負電子對撞機和北京譜儀在1999年初完成了升級改造後，整體綜合性能大幅度提高，每天獲取的數據量是改造前的3—4倍，數據的質量良好。北京譜儀國際合作組對這些數據進行了深入細緻的分析和研究，此次發現新粒子是這批數據的重大物理成果之一。
北京正負電子對撞機和北京譜儀運行在20億—50億電子伏特的能量區域，儘管在世界上這個能量不是很高，但屬於國際高能物理實驗研究兩大前沿之一的精確測量前沿，具有重大的物理意義，不斷出現新的重大成果，成為國際高能物理研究的一個新熱點，競爭十分激烈。國家有關部門已經批准對北京正負電子對撞機和北京譜儀進行重大改造，預期加速器提供的數據量將提高兩個數量級，探測器的性能也將大幅度提高。這個重大改造完成後，北京正負電子對撞機將能繼續保持在粲夸克物理和強子譜等研究領域的國際領先地位。
新的發現，也是新的挑戰。高能所的科學家表示：目前我們的研究結果只是確定了這個新粒子的存在，要最終明確這個新粒子的基本性質和物理意義，還要北京譜儀合作組的中外科學家進一步做大量的深入細緻的數據分析工作，更需要與國內外的理論物理學家密切配合，認真研究，也可能需要更大量的數據才能最終回答這些問題。
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中美科學家日前在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子。中科院高能所負責人說，各種分析研究已經確認這是一個新的粒子，而且可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多夸克態粒子。目前，中外物理學家正對這個新粒子的性質和衰變特性從理論和實驗上做更深入的研究和討論。
台北時間7月1日訊息，粒子物理標準模型中一種最難以琢磨的粒子再次逃脫了人們的視線，這或者說明希格斯粒子(Higgsboson)受到了壓制，或者證明這種粒子根本不存在。這對於理解為何我們身處的宇宙有團聚物是非常關鍵的一步，但是世界最權威的美國國家加速器實驗室(Fermilab)的最新預測表明至少在未來的六年內這項研究難有結果。
台北時間7月3日訊息，日本的物理學家已經發現了一種新的次原子粒子，它由5夸克組成而非通常情況下的2或3夸克。理論學家原先推測物質可能會由4個或者更多的夸克來組成，但是過去30多年所進行的實驗表明很難印證這種推測。這項發現將刊登在7月4日發行的物理評論集中，勢必將在粒子物理研究領域引發轟動效應，也會有助於加深人們對於早期宇宙的理解。
