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丁肇中(Samuel Chao Chung Ting )(1936年1月27日-),美国实验物理学家。汉族,祖籍山东省日照市涛雒镇,华裔美国籍,现任美国麻省理工学院教授,曾获得1976年诺贝尔物理学奖。他曾发现一种新的基本粒子,并以物理文献中习惯用来表示电磁流的拉丁字母“J”将那种新粒子命名为“J粒子”。

人物简介

丁肇中

丁肇中

丁肇中,出生在美国密歇根州安娜堡,他的父母本想让他出生在中国,不过当他父母在访问美国的时候,他提前出生了,所以,丁肇中成了 美国公民
在出生的两个月后丁肇中随父母回到中国。由于中国那时是在战乱时期,丁肇中童年没有接受到传统的教育,直到他12岁,主要由他的父母在家里教育他。
丁肇中12岁到了台湾,经过不足一年的刻苦努力,以优异的成绩考入了台北市成功中学。一年后转学到建国中学读书。1955年高中毕业后,丁肇中考进台南市国立成功大学机械工程系。
1956年,
曲阜师范大学名誉校长聘任仪式

曲阜师范大学名誉校长聘任仪式

由于其中一个科目被当,心有不满的他前往美国密歇根大学修习工程学、数学和物理学。1959年,获得数学和物理学学士学位。1962年获得物理博士学位。1963年,他获得福特基金会的奖学金,到瑞士日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)工作。
1964年起在美国哥伦比亚大学工作。1965年成为纽约哥伦比亚大学讲师。1967年起任麻省理工学院物理学系教授,1969年任教授。1977年起任托马斯·达德利·卡伯特讲座教授。1970年任美国物理协会粒子和场研究项目顾问,并任《核物理通报》副主编。
1975年当选美国艺术与科学学院院士。他是美国科学院院士,研究方向是高能实验粒子物理学,包括量子电动力学、电弱统一理论、量子色动力学的研究。他所领导的马克·杰实验组先后在几个国际实验中心工作。
2000年受聘为日照职业技术学院名誉院长
2005年6月18日,受聘为曲阜师范大学名誉校长。
2005年6月18日,蜚声中外的物理学大师 丁肇中携妻将子回到故乡山东日照寻根祭祖。
2011年12月21日,受聘为华东师范大学名誉教授。
丁肇中

丁肇中

2012年12月,受聘为哈尔滨工业大学“空间环境地面模拟设施”国家重大科技基础设施建设科技咨询委员会主席。
2013年3月9日受聘为中国测绘科学研究院特别顾问。
丁肇中的思维与交流方式极其独特,初次与其交流会让人觉得他思维混乱。但仔细听来就会了解到,他的思维并非混乱,而是他想说的事情过于复杂以至于无法用语言合理表示出来。这点是想必听过他讲座的人都深有体会。
2013年4月3日,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果,让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现680万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。
家庭
丁肇中的父亲丁观海早年毕业于山东大学,后担任国立台湾大学工程学教授。母亲王隽英是心理学教授。
丁肇中是家中长子,有一弟一妹,分别取名为丁肇华及丁肇民。丁肇中接受中国中央电视台采访时,在被问到如果有第四个兄弟姊妹,是否取名为“族”时,他爽快说:“不,叫丁肇国,因为没有这个国,所以就到台湾去了!”取名“中华民国”是要纪念为中华民国起义而殉国的外祖父。
丁肇中和他的第一位妻子凯伊·库尼(Kay Kuhne)于1960年结婚,并有二个女儿:珍妮(Jeanne)和艾美(Amy)。1985年他与苏珊·卡洛·马克思(Susan Carol Marks)博士结婚,1986年生下儿子克里斯多福(Christopher)。

研究领域

发现J粒子
丁肇中

丁肇中

1965年起, 丁肇中领导的实验组在联邦德国汉堡电子同步加速器(束流能量为7.5×109eV)上进行了关于量子电动力学和矢量介子(ρ,ω,φ)的一系列出色的实验工作,其中包括光生矢量介子、矢量介子衰变的研究、矢量为主模型的实验检验、ρ、ω、φ介子光生相位的测量和ρ、ω介子干涉参数的精密测量等,推进了对矢量介子的认识(见介子)。还在实验上证明了量子电动力学的正确性。
1972年夏,丁肇中实验组利用美国布鲁克海文国家实验室的3.3×1010eV质子加速器寻找质量在(1.5~5.5)×109eV之间的长寿命中性粒子
1974年,他们发现了一个质量约为质子质量3倍(质量为3.1×109eV)的长寿命中性粒子。在公开发表这个发现时,丁肇中把这个新粒子取名为J粒子,因为“丁”和英文字母中的“J”形似。。与此同时,美国人B.里希特也发现了这种粒子,并取名为ψ粒子。后来(1975)人:O们就把这种粒子叫作J/ψ粒子。J/ψ粒子具有奇特的性质,其寿命值比预料值大5000倍;这表明它有新的内部结构,不能用当时已知的3种味的夸克来解释,而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释。J/ψ粒子的发现大大推动了粒子物理学的发展。为此丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理奖。
量子电动力学
丁肇中的研究工作以实验粒子物理、量子电动力学及光与物质相互作用为中心。
到目前为止,他在学术上的主要贡献有:(1)反氘核的发现;(2)25年来进行了一系列检验量子电动力学的实验,表明电子、μ子和τ子是半径小于10-16厘米的点粒子;(3)精确研究矢量介子的实验;(4)研究光生矢量介子,证实了光子与矢量介子的相似性;(5)J粒子的发现;(6)μ子对产生的研究;(7)胶子喷注的发现;(8)胶子物理的系统研究;(9)μ子电荷不对称性的精确测量,首次表明标准电弱模型的正确性;(10)在标准模型框架内,证实了宇宙中只存在三代中微子。
热心培养高能物理人才
1981年起,丁肇中组织和领导了一个国际合作组——L3组,准备在欧洲核子中心预计在1988年建成的高能正负电子对撞机LEP上进行高能物理实验,将在质心系能量为1011eV能区中寻找新粒子,特别是电弱理论预言的黑格斯粒子(见黑格斯机制),并研究Z0及其他粒子物理新现象。L3组共有包括中国在内的约13个国家近400名物理学家参加。
丁肇中热心培养中国高能物理学人才,经常选拔中国青年科学工作者去他所领导的小组工作。他是中国科学技术大学等校的名誉教授,中国科学院高能物理研究所学术委员会委员。
领导“阿尔法磁谱仪”实验探索反物质
丁肇中

丁肇中

1998年6月2日,美东部时间凌晨6时零9分,发现号航天飞机腾空而起,机内载中、美等国共同研制的“阿尔法磁谱仪”进行运行实验,此举揭开了人类第一次到太空寻找反物质和暗物质的序幕。阿尔法磁谱仪实验是一个大型国际合作科学实验项目,实验由丁肇中教授领导,包括美国、中国、意大利、瑞士、德国、芬兰等国家和地区的37个研究机构的物理学家和工程师参加,仅中国参加的科学家和工程师就不下200人,其目的是寻找太空中的反物质和暗物质。
这次在航天飞机上运行的“阿尔法磁谱仪”传回的数据,从接收到的1%数据判断,它工作正常,并出现了预想的反质子,但由于数量太少,尚无法说已经发现了反物质。阿尔法磁谱仪将随航天飞机返回地面。下一次将在2002年再一次进入太空,并在太空逗留3—5年,下半年将组建阿尔法太空站,第一批组件将于1998年11月20日首次进入太空。

学术思想

科学的重要性
丁肇中

丁肇中

丁肇中的学术思想的特点是,在科学研究中非常重视实验。
他认为,物理学是在实验与理论紧密相互作用的基础上发展起来的,理论进展的基础在于理论能够解释现有的实验事实,并且还能够预言可以由实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相矛盾时,就会发生物理学的革命,并且导致新理论的产生。他根据近四分之一世纪以来物理学的历史和他亲身的经验指出,许多重要实验,例如 K介子衰变中电荷共轭宇称与宇称复合对称性(CP)不守恒的发现,J粒子的发现,以及高温超导体的发现,开辟了物理学中新的研究领域,但这些实验发现都是预先在理论上并没有兴趣的情况下作出的。又如高能加速器实验作出的有关粒子物理的基本发现,除W粒子和Z 粒子外,几乎都是在加速器开始建造时未曾预言过的。他强调,没有一个理论能够驳斥实验的结果,反之,如果一个理论与实验观察的事实不符合,那么这个理论就不能存在。他重视科学实验的观点,对科学工作者是很有教益的。

获得荣誉

丁肇中与妻子

丁肇中与妻子

他在1976年被授予诺贝尔物理奖,并被美国政府授予洛仑兹奖,1988年被意大利政府授予特卡斯佩里科学奖。
他是美国国家科学院院士,美国文理科学院院士,苏联科学院外籍院士,中国台北中央研究院院士,巴基斯坦科学院院士。
他曾被密歇根大学(1978)、香港中文大学(1987)、意大利波洛格那大学(1988)和哥伦比亚大学(1990)授予名誉博士学位。
1977年 获美国工程科学学会的埃林金奖章。
1988年 获意大利陶尔米纳市的金豹优秀奖及意大利布雷西亚市的科学金奖章。
2005年世界物理年活动日前在欧洲启动。他领导着来自美、法、德、中等14个国家43所一流大学和科研院所的581名物理学家,在日内瓦建造的世界上能量最大的正负质子对撞机上,探索宇宙中的新物质、反物质

趣闻轶事

丁肇中的祖籍是山东省日照市涛雒镇。父亲丁观海、母亲王隽英皆任教于大学。1936年丁观海和已有身孕的妻子王隽英到美国进行学术访问时,王隽英意外早产。这个提前来到人间的婴儿,就是丁肇中。

刻苦学习

日照市丁肇中祖居

日照市丁肇中祖居

1948年冬,丁肇中开始接受正规教育。受家庭的影响,他对学习一丝不苟,读书专心致志,遇到疑难问题,便找遍书本,务必得到答案才肯罢休。一次物理老师出了一道思考题,很多同学想了想觉得很难就放弃了,等着老师讲解,丁肇中不是这样,他吃饭想、走路想,别的同学都出去活动了,只有他还对着那道题苦苦思索,终于想到了解决问题的方法,他马上跑到图书馆查找资料验证自己的方法是否正确,直到确认自己的解题方法没有错误,他才满意而去。课堂上他聚精会神地听课,不论对自己的答案有没有把握,他总是第一个举手回答老师的提问。课后和同学们讨论问题时,往往要辩论到“甚解”才肯罢休。他的课余时间大部分是在图书馆度过的,很少与同学一起打球、看电影。他认为“最浪费不起的是时间”。
由于丁肇中勤奋刻苦,各门功课成绩优良,尤其突出的是数理,这为他实现终身的奋斗目标打下了扎实的基础。

决定当实验物理学家

丁肇中在发布会

丁肇中在发布会

1956年9月,丁肇中依依不舍地告别了父母赴美国学习。开始了在密歇根大学的艰苦学习。
在大学期间,丁肇中能打破书本的局限去理解物理现象。他认为“作为一个科学家,最重要的是不断探寻教科书之外的事物。”
丁肇中经过三年的努力,获得了数学和物理学硕士学位,之后又在密歇根大学物理研究所攻读了两年,提前获得博士学位。他本来想成为一个理论物理学家,但有两件事促使他改变了自己的志向。一件是在研究所中,他虚心向乌伯克·凯斯等学识渊博的名教授请教,他们都非常喜欢这个勤奋的中国学生。乌伦伯克教授告诉他:作一个实验家比理论家有用。另一件是进研究所的第一个夏天,有两位教授正在进行一项暑期实验工作,缺少一名助手,丁肇中应邀参加了实验。从此,他与实验物理结下了不解之缘。

关心祖国科学发展

丁肇中虽然入了美国籍,但他深深地知道他的根在中国。为了祖国高能物理的发展,他不辞辛劳,远涉重洋,多次来大陆从事学术交流和参观访问,介绍国际高能物理的发展,努力促进国际物理学界同中国物理学家合作。在他亲自指导和无微不至地关怀下,从事研究的中国科学工作者有的已经在欧美获得了博士学位。他不仅为中国培养了一批实验物理的科研人才,而且还热心为祖国培养实验物理的研究生而努力奔波。他受聘出任中国科技大学名誉教授。丁肇中说:“四千年以来中国在人类自然发展史上有过很多重要贡献,今后一定能作出更大的贡献。我希望在自己能工作的时间内,为中国培养更多的人才。”

“不知道”

来历
2004年11月7日,南航报告厅座无虚席,师生们在聆听诺贝尔物理学奖获得者、著名美籍华人丁肇中教授作报告,内容关于寻找太空中的反物质和暗物质。一个小时的精彩报告后,按照惯例,丁教授回答同学们的提问。
“您觉得人类在太空中能找到暗物质和反物质吗?”
“不知道。”
“您觉得您从事的科学实验有什么经济价值吗?”
“不知道。”
“您能不能谈谈物理学未来20年的发展方向?”
“不知道。”
一问三不知,而且回答“不知道”时,表情自然诚恳,没有任何明知不说的矫揉造作。在场的所有同学都大感意外,短暂的沉默后开始有人窃窃私语起来。旋即,丁教授微笑着说,不知道的事情绝对不能去主观推断,而最尖端的科学很难靠判断来确定是怎么回事。简短而平实的几句话,赢得了全场热烈的掌声,经久不息。
丁肇中,这位在华人中享有盛誉的科学家,据说经常回答“不知道”。正是“不知道”激发的强烈求知欲,使他读起书来孜孜不倦,成为美国密歇根大学百年历史上从学士到博士完成时间最短的学生。当时该校每年学费1000美元,他因表现出色一直受到校方资助,从大学到博士的6年间,他仅用了100美元学费。也正是“不知道”激发的强烈好奇心,使他不断探索“不知道”的领域,为人类揭开了很多很多的“不知道”,并最终登上了诺贝尔领奖台。

亲历片段

测量电子的半径

丁肇中在讲话中

丁肇中在讲话中

第一个片段是发生在1966年,丁肇中重做了当时世界上最重要的一个实验,那就是测量电子的半径。丁肇中得到的实验结果与理论物理学家推导出的理论相符合,因为早在1948年,理论物理学家根据量子电动力学的理论,得出电子是没有的体积的结论。但是到了1964年,实验物理学家经过实验得到电子半径为10^-13厘米实验结果。随后,多个物理学家同样得到电子半径为10^-13厘米实验结果,即得出了实验与理论不相符合的结论。1966年,丁肇中重做这个实验,证明以前那些科学家做的实验结果都错了。后来丁肇中总结这个故事得出的体会是“做实验物理,不要盲从专家的结论”。

J粒子家族被发现

第二个片段就是J粒子家族被发现的历史。这个发现,被国际高能物理学界誉为物理发展史上的一个重要里程碑。1970年代初,物理学家们普遍认为,世界上只有三种夸克,用三种夸克的理论就能够解释世界上所有的现象。1974年,丁肇中提出了“寻找新粒子与新物质”的实验方案,可惜未能被多数物理学家们重视。但他执著地求索,终于在实验中发现了新粒子——J粒子,它的寿命是通常粒子的1万倍,并近而发现了J粒子家族。这一实验结果证明了当时三种夸克的理论是错误的。丁肇中体会这段历史总会说:“做基础研究要有信心,你认为是正确的事,就要坚持去做;不要因为多数人的反对而不做,也不要去管其他人怎么看”。

胶子的发现

第三个片段是胶子的发现的实验。在物理学中,理论上认为夸克之间的力是胶子传递的。如果胶子是存在的,那么在高能正负电子对撞的实验中就会出现三个喷注的现象。如果胶子不存在,那么在高能正负电子对撞的实验上就不会出现三个喷注的现象,只会有二个喷注现象。在实验中,丁肇中果然发现了三个喷注的现象,这证明了胶子的存在。丁肇中根据这个“故事”告诫年轻科学家们,“做实验物理要对意外的现象有充分的准备”。

西欧核子中心

第四个片段是在过去20年间丁肇中在西欧核子中心开展的富有成效的国际合作研究工作。这个国际合作组有19个国家的600多个科学家参加工作,其中三分之一来自美国,三分之一来自欧洲,三分之一来自俄罗斯及其他国家。这个国际合作实验组取得了重要的研究进展,并且发表一大批学术论文,有75人获得了博士学位。那么这个国际合作为什么会得到那么多的国家、那么多的科学家的支持呢?丁肇中后来在一次演讲中讲到:国际合作最主要的是选择世界上最重要的、最有兴趣的题目,引起科学家的兴趣。没有兴趣,就没有意义。

国际空间站

丁肇中在接受采访

丁肇中在接受采访

第五个片段是在国际空间站上寻找由反物质粒子组成的宇宙(AMS)的实验。这一实验,是经过大量、激烈竞争后在国际空间站上进行的唯一的实验。反物质的存在,是1928年由英国物理学家P.Dirac推测出来的,1933年他因此获得诺贝尔奖。假如宇宙是大爆炸来的,有物质,也有反物质。由反物质组成的宇宙到哪里去了?所有的粒子都有反粒子,有没有由反物质组成的宇宙?丁肇中的AMS实验就是要回答这些问题。如果反物质存在,它会在太空中发射出反氦或反碳等原子核,这些反原子核会穿过太空接近地球,我们应该能够在太空中探测到。因此,这个实验需要到外太空去测量带电粒子,需要用测量磁场的方法来确定它们。这个实验也是一个国际合作研究工作,它由15个国家的科学家共同参与,将在2006年11月用美国128号航天飞机将AMS实验送到国际空间站,实验为期3—5年。丁肇中为这个实验付出了大量的心血,在实验取得不断进展的时候,他曾深有体会地说,对一个做实验物理的人来说,要实现你的目标最重要的是要有好奇心,对自己做的事情要有信心,同时要去努力工作。

暗物质

在日内瓦时间2013年4月3日下午五点,丁肇中首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目18年的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。
但是此次发布会丁肇中用语十分谨慎,如果成功,他带领的团队可能会获得诺贝尔奖

人物自传

1976年诺贝尔物理学奖得主 丁肇中在1980年写了一篇自传性的文章《在探索中-一个物理学家的体验》。这篇文章一开头,就引用了叶剑英元帅的《攻关》诗:
攻城不怕坚,攻书莫畏难。
科学有险阻,苦战能过关。
他所写的文章《应有格物致知精神》被收录到人教版语文书九上第14课

1936年

丁肇中说他于1936年1月27日出生在美国,但出生3个月后,父母又把他带回到中国。他说:"由于当时中国的境况,我一直是一个难民,不断地从一个地方逃到另一个地方。当然,那时使我不可能得到任何的正规教育。"在他12岁时,随全家迁往台湾,才进中学读书,因而十分珍惜上学的机会。高中时,他特别喜欢理化,刻苦钻研,成绩很好,他的一个同学曾在毕业纪念册上给他这样的赠言:"你的理科可以说在班上无敌手,我希望你集中全力向理科进攻,发明几个丁氏定律!"中学毕业后,丁肇中被保送进台湾成功大学机械工程系。1956年他20岁时只身赴美,进密歇根大学,于1962年获得了物理学博士学位。丁肇中选定了实验物理作为他的主攻方向。1972年他领导一个小组在纽约的布鲁克国家实验室进行了一系列实验去寻找新的重粒子。对于实验的艰巨性和复杂性,他曾经这样比喻道: " 在雨季,一个象波士顿这样的城市,一分钟之内也许要降落下千千万万粒雨滴,如果其中的一滴有着不同的颜色,我们就必须找到那滴雨。"

1974年

1974年11月12日,在实验室里夜以继日地工作了两年多,全力攻关的丁肇中向全世界宣布,他的小组发现了一种未曾预料过的新的基本粒子-J粒子。这种粒子有两个奇怪的性质:质量重,寿命长,因而它一定来自第四夸克,这推翻了过去认为世界只由三种夸克组的理论,为人类认识微观世界开辟了一个新的境界,被称为是"物理学的十一月革命"。

1977年

1977年秋,丁肇中访华期间向邓小平建议中国科学院派遣物理学家参加他的实验小组工作。自1978年1月他迎接第一个中国物理学家小组迄今十年来,已有上百人去到他的身边。他说:"与中国的合作令人满意。"他还说:"
这几年,中国科研人员的素质有了很大改善从领导到一般科技人员,都大大年轻化了。科学,尤其是自然科学的重要发现都靠年轻人。像牛顿、法拉第李政道杨振宁,他们的重要发现都是在年轻的时候。因此,我对科学院年轻的科技人员抱有很大的希望。"

个人语录

1.最浪费不起的是时间。
2.一个人首先要感激自己的父母。
3.自然科学的研究是具有竞争性的,只有第一名。第二名就是最后一名。
4.自然科学理论不能离开实验的基础,特别是物理学,它是从实验开始的。
任何科学研究,最重要的是要看对于自己所从事的工作有没有兴趣,换句话说,也就是有没有事业心,这不能有丝毫的强迫.许多人从事科学研究的时间并不长,而接连出成果,我认为很重要的原因是他们有事业心。

J/ψ粒子

1976年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福直线加速器中心的里克特(Burton Richter,1931—)和美国马萨诸塞州坎伯利基麻省理工学院的丁肇中(SamuelC.C.Ting,1936—),以表彰他们在发现一种新型的重的基本粒子中所作的先驱性工作。
粒子物理学的发端可以从1932年正电子的发现说起,到了50年代,陆续发现了反质子、π介子、反Λ粒子等等三十多种新粒子,其中稳定的有七种。寿命大多长于10-16秒。后来又发现了许多寿命更短的粒子,这些粒子也叫做强子共振态,是通过强相互作用衰变的。盖尔曼的夸克模型理论,解释了这些强子共振态,其预言的Ω-粒子又被实验证实。这时粒子物理学似乎已经达到了顶峰,没有什么事情可做了。然而,正是在这一短暂的沉静时期,1974年同时有两个实验小组,宣布发现了一种寿命特别长,质量特别大的粒子。
这项发现的宣布,打破了沉闷的空气,使物理学家大为惊讶,推动粒子物理学迈向新的台阶。这项新的发现就是由里克特领导的SLAC-LBL合作组所发现的ψ粒子和由丁肇中领导的MIT小组所发现的J粒子。人们统称之为J/ψ粒子。
SLAC是斯坦福直线加速器中心的简称,LBL是劳伦斯伯克利实验室的简称。两家共同组成一个合作组,为SLAC正负电子对撞机(SPEAR)配制了一台取名为MarkI的磁探测器,目的是探测4GeV的正负电子束对撞后生成的新粒子,探测范围可从2.4GeV直到4.8GeV。这是当时能量最高的电子对撞机。
1974年初,里克特小组发现在3.2GeV处截面比①反常,比邻近约高30%,当时并未引起注意。同年10月,又发现在3.1GeV处有一反常。后来还陆续有高出3~5倍的截面。这促使他们下决心把机器调回到3.1GeV附近进行精确测量,11月9日终于取得了在3.1GeV处存在狭共振的确切证据,并命名为ψ粒子。接着,又在3.7GeV处发现了ψ粒子的姐妹态,ψ'粒子。
里克特1931年3月22日出生于纽约。1948年进入麻省理工学院,大三时曾参加正电子素实验,开始接触到电子-正电子系统。大学的毕业论文题为“氢的二次塞曼效应”,成绩优异。研究生期间,里克特测量了水银同位素位移及其超精细结构。他在工作中要用到回旋加速器,让短寿命的Hg197同位素和氚核束轰击金。因此更加激发了对核物理和粒子物理以及所使用的加速器的兴趣。他的博士论文题目是“由氢光生π介子”。然后他在斯坦福高能物理实验室找到工作。他在这里和同事们合作,建造了一台碰撞束机器,并于1965年开始实验,结果使量子电动力学的适用性延展至小于10-11cm。
在这之前,里克特就在考虑高能电子-正电子碰撞束机器能用来做些什么。他特别想研究强相互作用粒子的结构。1963年里克特来到SLAC,在SLAC主任潘诺夫斯基的鼓励下,里克特组织了一个小组制定高能电子-正电子机器的最后设计。1964年完成了初步设计,1965年向美国原子能委员会提交了一份经费申请报告,当然这只是申请经费的漫长过程的第一步,以后还为之作过多次奋斗,直到1970年才得到经费。在这期间,他和小组成员又做了其它实验,设计并制造了大型磁谱仪的整套装置的一部分,并利用它进行了一系列π介子和K介子的光生实验。里克特为了以后制作存储环作准备,下了很大力气以求保住已经成立的小组。有了经费之后,工程立即上马,着手制作大型磁探测器。1973年开始做实验,终于得到了满意的成果。
如果说里克特和他的小组是以他们的执著追求精神取得了引人注目的成绩,那么,丁肇中和他的小组更是以其严谨踏实、一丝不苟的作风得到了科学上的回报。
丁肇中是华裔美籍科学家,1936年01月27日出生于美国密歇根州安亚柏市,父亲丁观海是工程学教授,母亲王隽英是心理学教授,他们在访美期间,生下了丁肇中,于是丁肇中从小就成了美国公民。出生后两个月,与母亲一起回到中国。由于战争的原因,直到十二岁才受到传统的教育。1956年丁肇中得奖学金入美国密歇根大学,三年后获得了数学和物理学位,1962年获得物理博士学位。关于丁肇中的经历,请读他的自述:
“当我20岁时,我决定到美国去接受较好的教育,我父母的朋友、密执安大学工程学院的院长G.G.布朗,告诉我父母他很欢迎我去那儿,并到他家住宿。当时我只懂一点儿英语,而且对在美国的生活费用毫不了解,在中国,我通过看书了解到美国许多学生是通过自己劳动挣钱进入大学的,于是,我对父母说我也要这么做。1956年9月6日,我到达了美国底特律机场,身边带了100美元,当时好像已很富裕了。我感到有些害怕,因我不认识任何人,而且通信也很困难。”
“由于我是靠得奖学金入学的,故我不得不努力学习以继续取得奖学金。我在三年内使自己在密执安大学获得了数学和物理学位,在1962年,在琼斯和泊尔博士指导下获得物理学博士学位。”
“我作为一个福特基金会研究员到了欧洲核子研究中心(CERN)。在那儿我很荣幸能跟柯可尼教授一起搞质子同步加速器,从他那儿学到许多物理知识。他能以简单的方法对待一个复杂的问题,做实验相当仔细,这些都给我留下了深刻的印象。”
“1965年春天,我回到美国,在哥伦比亚大学任教。在那些年月里,哥伦比亚大学的物理系是一个很有刺激性的地方,我有机会观察到如:莱德曼、李政道、拉比、施瓦茨、斯坦博格、吴健雄以及其他教授的工作。他们在物理学上都具有各自的风格和相当突出的鉴别力。我在哥伦比亚短暂的几年,收益很大。”
“在我到达哥伦比亚大学的第二年,在坎伯利基电子加速器上进行一项由光子同核靶碰撞产生电子正电子对的实验。看来好像有点违反量子电动力学。于是我仔细地研究了该项实验,决定重做一次。我与搞西德电子同步加速器的韦伯教授和杰茨凯商量是否可在汉堡进行正负电子对产生的实验。他们都很热情地鼓励我马上就开始实验,1966年3月,我离开了哥伦比亚大学到汉堡去进行这个实验。自那时起,我以全部精力投入到电子对及μ介子对物理、研究量子电动力学和类光粒子的产生和衰变、寻找能衰变成电子对或μ介子对的新粒子。这类实验的特点是需要高强度入射通量,需要绝对排除大量不需要的背景条件,同时又需要质量分辨率高的探测器。”
“为了寻找较大质量的新粒子,我于1972年带了实验小组回到了美国,在布鲁克海文国立实验室进行实验。1974年秋,我们发现了一种新的、完全出乎意料的重粒子——J粒子的证据。自那以后,找到了整族新粒子。”
关于电子-正电子实验的缘起,丁肇中在领诺贝尔奖的演说词中作了如下说明:
“1957年夏天,我是纽约暑期班的学生,偶然得到了赫兹堡的经典著作《原子光谱和原子结构》(1937年),从书中我第一次了解到光量子的概念和它在原子物理学中的作用,大学毕业前夕,我收到父亲送给我的圣诞礼物:阿希耶泽和贝律茨基合著的《量子电动力学》(1957年)一书的英译本。在密执安大学学习期间,我仔细读了这本书,并自己推导了书中的某些公式,后来我在哥伦比亚大学任教的年代,很有兴趣地读了特雷尔1958年的一篇论文。他指出用高能电子加速器在短距离上对量子电动力学(QED)所做的各种检验的含义。对于怎样把某一类费因曼图从3μ介子的μ介子产生中分离出来,我同布洛茨基合作进行了理论计算。”
为此丁肇中和布洛茨基联名于1966年发表了一篇论文。
1965年10月,丁肇中受德国汉堡德意志电子同步加速器研究中心(DESY)主任詹希克的邀请,做了e+e-对产生的第一个实验。他和他的小组使用的探测器具有如下特性:
1.能利用负载循环2%~3%的10-11/s的入射光子流;
2.接受度很大,不被磁铁的边缘或屏蔽物所限制,仅受闪烁计数器决定;
3.所有的计数器并不直接面对靶体;
4.为了排除强子对,切连科夫计数器为磁铁所分隔,使π介子与第一对计数器中的气体辐射源相互作用而放出的电子被磁铁排除,不进入第二对计数器。从第二对计数器放出的低能电子则被簇射计数器排除。
这个实验的结果表示出量子电动力学正确地描述了粒子对产生过程直到10-14cm。然后,丁肇中小组转动谱仪的磁铁,使最大的粒子对质量接受区的中心在750MeV附近,他们观察到e+e-对的数量有很大的上升,明显地破坏QED。这种对QED的偏离,事实上是由强作用对e+e-产生的贡献增加而引起的。这时入射的光子产生重的类光粒子ρ介子,它再衰变为e+e-。它的衰变几率为α2的量级,为了证明情况确实是这样,他们做了另外一个实验,增加e+e-的张角,发现与QED的偏离更大。这是可以预计到的,因为当增加e+e-的张角时,QED过程比强作用过程减少得更快。
约为5MeV,因此丁肇中小组研制了一个质量分辨率约为5MeV的探测器。
丁肇中小组的成员们面对的是极其单调的测量工作,可是这不是一般的测量,请继续听丁肇中教授的回忆:
“在有些测量中,事件率低,特别在研究大于ρ和ω介子质量范围的e+e-质谱的实验里,当加速器全负载时,e+e-对的产额约为每天一个事件。这就是说,整个实验室大约有半年光景一直专门只做这个实验,每天一个事件的事件率还意味着,往往2、3天没有事件,而在另外的日子里我们却得到2、3个事件。正是在这个实验的过程中,我们形成了每30分钟把全部电压检查一遍和每24小时通过测量QED产额来校准一次谱仪的传统。为了确保探测器工作稳定,我们还建立了物理学家跟班的惯例,甚至当加速器关机维修时也跟班,我们还从不切断电源。这样做的最终效果是,我们的计数室多年来有着与实验室的其它部分不同的基础体制。”
“我们经过多年的工作后,学会了怎样操纵具有负载循环2%~3%,每秒约1011γ的高强度粒子束。同时采用具有大的质量接受度和好的质量分辨率△M≈5MeV的探测器,它能以>>108的倍数将ππ从e+e-中辨别出来。”
“我们现在可以提出一个简单的问题:有多少重光子存在?它们的性质怎样?对我来说,不能想像只有三种重光子,而且它们的质量都是1GeV左右,为了解答这些问题,我同小组成员反复讨论了怎样进行实验。最后我决定1971年在布洛克海文国立实验室的30GeV质子加速器上首先做一个大型实验,把探测质量提高到5GeV,探测重光子的e+e-衰变来寻找更多的重光子。”
在诺贝尔奖演说词中,丁肇中这样形容准备阶段的工作:
“在建造我们的谱仪过程,及整个实验过程中,我受到很多的批评。问题在于为了达到良好的分辨率,必须要造一个非常昂贵的谱仪。一位有名望的物理学家批评说:这种谱仪只适用于寻找窄共振——但并不存在窄共振。尽管这样,我还是决定按我们原来的设计创造,因为我一般不太相信理论论证。”
“1974年4月我们完成了实验的布置工作,并开始引入强大的质子束流到实验区。我们立刻发现,我们计数室里的辐射强度达每小时0.2伦琴。这就是说,我们的物理学家24小时内将要受到最大允许的辐射年剂量。我们花了二、三个星期艰苦地寻找原因,大家为能否继续进行这项实验而担忧。”
“一天,自1966年以来一直同我共事的贝克尔博士带着盖革计数器在踱步时,突然发现,辐射的大部分来自屏蔽区的一个特定的地方。经过仔细研究后,发现即使我们已经用了10000吨混凝土屏蔽块,但最重要的区域——束流制动器的顶部——却仍然根本没有被屏蔽!经此纠正之后,辐射强度降到了一个安全值,这样我们就可以进行实验了。
“从4月到8月,我们做了例行的调节工作,探测器工作性能符合设计要求。我们能够利用每秒1012个质子,小型电子对谱仪也工作正常,这使我们能用纯电子束来校正探测器。”
经过严格认真的反复核对,奇迹终于出现了。丁肇中回忆说:
“1974年初夏,我们在4Gev~5GeV的大质量区域里测定了一些数据。然而,对这些数据所做的分析表明,只存在极少的电子-正电子对。”
“在8月底,我们调整了磁铁使它能接受2.5GeV~4GeV的有效质量。我们立即看到了干净的、真正的电子对。”
“最令人惊奇的是,大部分e+e-对在3.1GeV处形成一个狭峰。更详细的分析表明,它的宽度小于5MeV。”
经过多方核对后,丁肇中小组确认他们发现了一个当时质量最大的新粒子。后来得知,里克特小组也发现了这一粒子。他们的实验各有特点。里克特小组是让e+e-对湮没以形成矢量介子,是一种形成实验,而丁肇中小组是利用质子束轰击铍靶,产生矢量介子,然后测量矢量介子的衰变产物,则是一种产生实验。里克特小组和丁肇中小组用不同的设备、经不同的反应过程几乎同时地发现了同一粒子,使物理学界大为惊喜。他们的发现把高能物理学带到了新的境界,因此,两年后里克特和丁肇中就分获诺贝尔物理学奖。
J/ψ粒子J/psi particle 由魅夸克和反魅夸克组成的一类介子。其质量为3.1 GeV/c2
2003年7月30日,中国科学院高能物理研究所在新闻通报会上宣布,北京谱仪国际合作组发现了一个新粒子。北京谱仪合作组是由高能物理研究所和国内17所大学和研究机构及美国、日本、韩国和英国的物理学家和研究生组成的。
这个新粒子是该合作组通过分析5800万J/ψ粒子衰变的事例数据,在分析粲粒子辐射衰变到正反质子的过程中发现的。这项研究成果的论文已在世界最具权威和最有影响的期刊《物理学评论快报》(2003年7月)上发表。
这次发现新粒子的消息顿时引起了各方的广泛关注。人们都很想知道这是一种什么样的粒子?这一新发现有何物理意义?这是不是又是一个突破性的成就?要想回答这些问题,就需要了解一些粒子物理学的有关知识。
人们最初是按粒子的质量大小将它们分为三类,并给每类一个统称。质量大的叫做重子,例如质子和中子;质量小的叫做轻子,例如电子和几乎无质量的中微子;大小介于两者之间的叫做介子,例如π介子。后来根据重子和介子都受强力支配的这一性质,把它们统称为强子。早期有些物理学家猜测介子由质子和反质子束缚态组成,但被后来夸克模型代替。1964年盖尔曼等人提出了关于强子结构的夸克模型。在夸克模型中,重子由三个夸克组成,而介子则由正反两个夸克组成。在初期提出的夸克模型中,只有u、d、s三种夸克。1974年,J/ψ粒子被丁肇中教授和里克特教授各自独立发现后,三种夸克的理论无法解释这种长寿命的介子,因此引入第四种夸克,即粲夸克c,而J/ψ粒子是由一个粲夸克(c)和一个反粲夸克组成的。这以后又引入了第五种夸克底夸克b和第六种夸克顶夸克t。到1995年为止,理论上预言的6种夸克都被实验发现了。
J/ψ粒子在正负电子对撞中产额很高,J/ψ粒子的衰变是研究强子谱和寻找新粒子的理想途径。北京谱仪获取的5800万J/ψ粒子事例比国际上其他同类实验数据约高一个量级,为物理分析创造了良好的基础。这个新粒子的寿命非常短,因此也被称为共振态。所谓共振态,是一种不稳定的强子,它带有强子的诸如自旋、宇称、同位旋等各种量子数。共振态粒子一般都是通过强力衰变,因而寿命很短,大约10-20—10-24秒。根据量子力学能量和时间的不确定原理,不稳定粒子没有确定的质量,其不确定程度称为宽度(9),与粒子的寿命(τ)成反比(9=η/τ)。共振态粒子的宽度可以高达几百M eV,因而说新发现的粒子宽度很窄。尽管这个新发现的共振态的质量略小于质子与反质子的质量之和,正是由于共振态粒子的质量有一定的宽度,使得这个共振态仍有少量粒子的质量大于质子与反质子的质量之和,而衰变成质子与反质子。粒子物理实验研究在若干粒子的衰变中已观察到类似的现象。这次新发现的消息刚刚传出,欧洲核子研究中心著名的理论物理学家埃利斯(J.Ellis)就在一篇论国际最新进展的文章中评价说:“这一发现和世界上其他新的实验结果是令人惊异的,对发展强相互作用理论有着重要意义。”诺贝尔物理学奖获得者李政道教授也致信高能所表示祝贺,信中评价说:“这是一个十分重要的成果,也是物理学上很有意义的工作。”?
寻找多夸克态一直是国际高能物理实验的重要目标。在实验上早期发现的数百个介子共振态和重子共振态中,都没有多夸克态的确凿证据。国际上有几个实验组在进行这方面的探索,取得了显著进展。而北京正负电子对撞机上的实验,新发现的粒子由于特有的性质,尤其是很窄的宽度而很难归结为通常的夸克—反夸克结合态,因而被推测为可能是一种多夸克态。有些物理学家认为,所发现的共振态粒子可能是重子反重子束缚态(多夸克态的一种)。
广泛和密切的国际合作是高能物理研究基本特点。北京正负电子对撞机从设计之日起,就一直得到国际高能物理界,特别是李政道教授的大力支持。二十多年来,中国科学院和美国能源部每年都举行会谈,重点讨论双方在北京正负电子对撞机和北京谱仪的合作。国家自然科学基金委员会对北京谱仪的研究工作也一直给予大力支持。北京正负电子对撞机和北京谱仪在1999年初完成了升级改造后,整体综合性能大幅度提高,每天获取的数据量是改造前的3—4倍,数据的质量良好。北京谱仪国际合作组对这些数据进行了深入细致的分析和研究,此次发现新粒子是这批数据的重大物理成果之一。
北京正负电子对撞机和北京谱仪运行在20亿—50亿电子伏特的能量区域,尽管在世界上这个能量不是很高,但属于国际高能物理实验研究两大前沿之一的精确测量前沿,具有重大的物理意义,不断出现新的重大成果,成为国际高能物理研究的一个新热点,竞争十分激烈。国家有关部门已经批准对北京正负电子对撞机和北京谱仪进行重大改造,预期加速器提供的数据量将提高两个数量级,探测器的性能也将大幅度提高。这个重大改造完成后,北京正负电子对撞机将能继续保持在粲夸克物理和强子谱等研究领域的国际领先地位。
新的发现,也是新的挑战。高能所的科学家表示:我们的研究结果只是确定了这个新粒子的存在,要最终明确这个新粒子的基本性质和物理意义,还要北京谱仪合作组的中外科学家进一步做大量的深入细致的数据分析工作,更需要与国内外的理论物理学家密切配合,认真研究,也可能需要更大量的数据才能最终回答这些问题。

最新研究成果

诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中3日公布了其主持的阿尔法磁谱仪项目(AMS)首批研究成果。他当天对新华社记者表示,尽管这一成果具有突破性,但仍应保持冷静。
  暗物质和暗能量是现代天文学和物理学最大的谜团之一,它们是为了解决宇宙学观测与理论上的矛盾而提出来的。AMS项目的首要目的就是寻找宇宙中的暗物质及其起源。
  丁肇中3日晚间在位于瑞、法边境的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪项目办公室告诉记者,AMS收集到40万个正电子,远远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象,但数据误差很大,而AMS的误差只有1%,“相当于肉眼和精密显微镜的区别。”
  刊登在新一期《物理评论快报》的研究成果显示,在5亿至100亿电子伏特区间内,正电子占正电子和电子总和的比例随能量的增加而减小;在100亿到2500亿电子伏特的区间内,比例递增;到2500亿电子伏特之后,比例曲线基本变平。正电子比例能谱没有随时间改变,同时高能正电子不是来自空间某个特定的方向。
  丁肇中解释说,这些成果表明了:正电子比例随着能量增加继续上升;比例上升是很平衡的,没有出现峰值;正电子来源没有特定方向,“这三点都支持正电子来源于暗物质,可是没有完全的证据。”
  他指出,要确认正电子是由暗物质粒子碰撞、湮灭产生的,还需观测到正电子比例上升到峰值后是否有骤降。如果观察到骤降,说明来自暗物质对撞;如缓慢下降,则可能来自脉冲星。 丁
肇中说,作为AMS这样一个大型物理实验项目的负责人,必须保持冷静,因此对正电子的来源持开放态度,“最重要的是把数据准确地拿出来,不要有误差,”他说,“千万不能有偏见。
丁肇中说,可能还要花一段时间才能最终确定这些正电子“到底是怎么来的”。他说,收集到的数据是AMS预期收集数据的10%左右,这个项目还是“刚刚开始”,还有很多未知等待科学家们去探测。
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