丁肇中：赵忠尧院士的工作改变了我的实验
丁肇中约 11 分钟导读：
丁肇中 | 撰文
赵忠尧院士于 1958 年筹建中国科大近代物理系并兼任系主任。过去 40 年，我和中国科大有很多的合作，包括很多的科学家参加我的工作，他们对我的实验做出了很重要的贡献。
赵忠尧院士是最早（1930 年）观测到反物质存在的人。1930 年，这一重要成果以“硬 γ 射线的散射”为题目发表在美国《物理评论》杂志上。这是因为，γ 射线在通过重金属铅后产生正负电子对——电子是物质，正电子是反物质。正负电子产生和湮灭的时候，光通过铅之后，产生正负电子对。另外一个电子和铅里面另外一个原子湮灭变成光。它的很重要的一个结论就是，γ 射线通过重金属铅后产生额外的散射光。
赵忠尧院士的发现——光可以变成正负电子对，启发了我一系列的实验。
第一个实验是测量电子半径（1965 年）。
1948 年，根据量子电动力学，费曼（Feynman）、施温格（Schwinger）和朝永振一郎（Tomonaga）提出理论：电子是没有体积的。这个理论被当时所有的实验所证明，他们因此获诺贝尔奖。但是，到了 1964 年，哈佛大学和康奈尔大学著名的教授们和多年专门从事这个实验的专家们，用若干年的时间做了两个不同的实验，得到相反的结果——量子电动力学是错误，电子是有体积的，电子的半径是10–(13～14)cm。他们的结果受到物理学界的认可和重视。1965 年哈佛大学测量电子半径的实验，是用美国 MIT和哈佛电子加速器产生的 60 亿电子伏的同步辐射光来产生正负电子对。这是当年实验的结果。
实验结果和量子电动力学预测的比值等于 1 的话，说明量子电动力学是对的。他们的结果超于量子力学的计算，这就表示在10–13 cm 以后，就可以测到电子的半径。这个实验得到康奈尔电子加速器的独立证实。这就表明电子的半径在10–13到 10–14 cm 之间，也就是说量子电动力学是错误。
1967 年，我在德国 DESY 测量正负电子实验，这个实验根据赵忠尧院士光产生正负电子对的实验。每秒入射 1000 亿个光子，能量为 60 亿电子伏。这是磁铁，这些仪器测量动量，这些仪器测量速度，这些仪器测量电子能量。
8 个月后，我的实验证明量子电动力学是正确的：电子是没有体积的，它的半径小于 10–14cm。实验的结果和理论预言完全一致。
第二个实验是光子和重光子（重光子就是有质量的光子）的系列实验。
光子和重光子有相同的量子数。光子质量等于 0。重光子有 ρ→ππ 共振态，有 ω→πππ共振态，有 φ→K＋K–共振态。它们的质量都在 10 亿电子伏左右。
光子和重光子有相同的量子数，不同之处在于光子的质量为 0，因为能量 E=mc2。在高能情况之下，光子和重光子应该可以互相转化。所以我就做了一系列重光子 ρ 和 ω衰减干涉的实验。重光子 ρ 是 ππ 共振态，ω 是 πππ 共振态，因此重光子 ρ 和 ω 衰减不会发生干涉。可是 ρ 和 ω 都能变成光子，光子可以衰变成正负电子对。因此 ρ 和 ω 衰减应该产生e＋e–衰变干涉。
这是一个非常困难的实验，e＋e–和 ππ 的分辨率必须达到一亿分之一以上，所以以前的实验都没有找到过。后来我设计了一个新的探测器，发现重光子 ρ 和 ω 之间是可以互相转化。这是我们正负电子的数据。这个数据和 ρ+ω→e＋e–互相转化的预测是完全符合的，而不符合 ρ→e＋e–——无相互转化时的预测。
同时我们观察到传统理论认为不可能存在的 ω→ππ 衰变。重光子 ρ 是 ππ 共振态，ω是 πππ 共振态，因此重光子 ρ 和 ω 衰减不会发生干涉。可是 ω 会变成光子，光子再变成ρ，ρ 变成 ππ，因此 ω→ππ 衰变是应该存在。
很多人当年讨论这些问题，包括获得诺贝尔奖的 S. L. Glashow 和 J. Steinberger。这是一个重要的现象，以前很多人找，都没有发现过，结果我们发现，用氢靶、用碳靶、用铅靶，所得到的结果都是符合 ρ，ω→ππ，就是 ω→ππ 衰变。只有 ρ→ππ 衰变是不符合我们实验数据的。
第三个实验。我们知道光子和重光子性质相同，它们之间可以互相转化。我的问题是：为什么所有的重光子质量都和质子的质量相近（10 亿电子伏）。为了寻找更重的重光子，我们决定到质子加速器上做一个最精密的探测器。在美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室进行 J 粒子实验。J 粒子实验的设计要求是，从 100 亿个已知粒子中找到一个新粒子衰变成e＋e–。从 100 亿找一个，因此必须每秒钟输入 100 亿高能量的质子到探测器上。这么多的质子输入到探测器上所产生的放射线会彻底破坏探测器，对工作人员也是非常危险的。
因此必须发现全新的、非常精确的、在非常强的放射线下能正常工作的全部仪器，这是当年的实验的屏蔽设计。
实验使用了 1 万吨的水泥、5 吨的铀、100 吨的铅和 5 吨的肥皂。输入是每秒钟 100亿质子，能量达 300 亿电子伏。这是当年的 J 粒子磁谱仪。
在 J 粒子实验中，研发了很多的新仪器，包括特别精密的多丝正比室，常年展于美国华盛顿的国家科技馆。
1974 年，我们发现了 J 粒子，它具有奇异的特性：它的寿命比已知的粒子长 1 万倍。新粒子发现后，很快，同样寿命的类似的粒子也都被发现。它的重要性，类似于我们发现一个偏僻村子里面所有的人都是 100 岁左右。这就表示这个村子里的人和普通人是完全不一样的。
这种新粒子的发现，证明宇宙中有新的物质存在，它们由新的夸克组成，我们把它命名为 J 粒子。J 粒子的发现，改变了物理界长期认为“世界上只有三种夸克”的观念，改变了我们对物质基本结构的认识。继 J 粒子发现之后，新的粒子又继续被找到。现在我们知道，至少存在 6 种不同的夸克。
再继续以前光变成正负电子而做一个实验，第四个实验：发现胶子的实验。这是在20 世纪 70 年代，德国 PETRA 的 300 亿电子伏对撞机上所做的。正电子、负电子对撞以后，到底有什么现象？1977 年 8 月，邓小平建议每年派 10 位科学家参加我的工作。从那时候到现在，有许多中国科学家参加我的团队，并且做出了世界公认的贡献。下图是1978 年第一批中国科学家，包括高能所的唐孝威院士、郑志鹏所长、中国科大的许咨宗教授和杨保忠教授等，到德国正负电子对撞机上的 Mark-J 工作。
上图是 20 世纪 70 年代德国 PETRA 实验，用 300 亿电子伏的对撞机来做的。
1979 年，赵忠尧院士及科学院领导访问 Mark-J 实验，下方照片中有赵忠尧院士（前排右三），以及杨保忠、郑志鹏、唐孝威、陈和生、许咨宗。
中国科大和我合作的重要贡献之一就是发现胶子。宇宙中有三种力。一种是引力，引力的来源、传输，我们并不了解。电弱力，由光、Z0、W±子传输。强力在原子核里把夸克绑在一起，由胶子传输，这是一个比较重要的发现。
这是 1979 年 9 月 2 日美国《纽约时报》报道我们发现胶子的消息。这中间有一段特别提到，27 名中国科学家参加了这次实验。在有关核与粒子物理实验的国际合作研究史上，这是中国第一次的一个大贡献。
当年的《人民日报》也报道了发现胶子的事情。
继续以前光变成正负电子的实验，我的第五个实验是在欧洲核子中心的 L3 实验，是用 1000 亿电子伏的正电子和 1000 亿电子伏的电子相撞。对撞时温度是太阳表面温度的 4000 亿倍，也是宇宙诞生最初（1000 亿亿分之一秒时）的温度。这是首次美国、苏联、中国、欧洲等 19 个国家和 600 名科学家共同参加的大型国际合作，中国科大在里面作了很重要的贡献。这是 L3 实验，磁铁重 1 万吨，探测器中有 300 吨铀，都是在苏联做的。中国的主要贡献包括精密仪器：上海的硅酸盐所研发的 BGO 晶体。BGO 是透明的，其密度和钢相同。当时世界年产量只有 4 公斤，而我们需要 12 吨。现在他们（指硅酸盐所）的晶体产品已被广泛应用于工业及医学领域。
在数据分析中，中国科大的韩荣典、马文淦、陈宏芳、宫竹芳、周冰、钱剑明、戴铁生等和中国科学院高能所的陈和生、王贻芳、陈刚、陈国明等，都做过非常重要的贡献。这是王贻芳院士和蔡旭东博士在 L3 的仪器上。
高能所的郑志鹏所长也积极支持 L3 实验。
L3 实验总共发表了 300 篇文章，有 300 人获得博士学位。实验的结果，这 300 篇文章可以用 4 句话表达出来。第一，宇宙中只有 3 种不同的电子和 6 种不同的夸克。第二，电子是没有体积的，电子的半径小于10–17cm。第三，夸克也是没有体积的，夸克的半径小于10–17cm。第四，不幸的是，所有的结果都与电弱理论符合。当一个实验和理论符合的时候，你学到的东西很少，当实验推翻了理论以后，才是更重要的。
1930 年，赵忠尧院士首次发现反物质（正电子），我的第六个实验是：国际空间站上的阿尔法磁谱仪 AMS，这个实验自 1994 年持续到 2030 年。目标之一，是寻找宇宙中高能量正电子的来源。这是陈和生院士和 NASA AMS 总工程师 Ken Bollweg。
根据现在我们的了解，宇宙中正电子来源有三种。第一，宇宙线和星际物质相碰，宇宙线碰撞产生的正电子。第二，新的天体源——比方说脉冲星，脉冲星可以产生正电子。脉冲星不能产生反质子，因为反质子的重量特别大。第三，暗物质和暗物质相碰，可以产生正电子。所以，有三种正电子来源。
我们发现，宇宙中正电子有两种起源：低能量正电子来自宇宙线碰撞，因为它产生的数量和宇宙线碰撞的预测是相同的。这是 10 年来收集的 340 万正电子，从很低的能量到 1 万亿电子伏。高能量的正负电子来自脉冲星或暗物质。
可是，反质子和正电子有相同的能量分布。刚才我已经说过了，反质子是不可能由脉冲星产生的，所以我们探测的反质子的能谱和正电子的能谱完全一样，就表示正电子能谱不是由脉冲星产生。收集数据非常大，包括 80 万个反质子、340 万个正电子。
宇宙是最广阔的实验室，而我们对宇宙的认识很有限。未来 10 年，AMS 将继续收集数据，将改变我们对宇宙的认识。
中国人常说：“千里之行，始于足下。”赵忠尧院士的工作改变了我的实验。今天特别谢谢赵政国院士和中国科大的领导给我一个机会，介绍赵忠尧院士工作对我的工作的重要性。
谢谢大家！
作者简介：
BOOK TIME
2024年8月 出版
本书主要收录了中国杰出的核物理先驱、伟大的物理学家赵忠尧先生的生平、历史照片与代表作，整理并收录了中国科学技术大学隆重纪念赵忠尧先生诞辰 120 周年学术研讨会各位专家学者的讲话、报告致辞与主题报告，以此缅怀他对科学进步、祖国科学事业的发展与人才培养所做的卓越贡献，学习和弘扬他刚毅坚卓、科教报国、敢为人先的精神品质，激励我们一代代年轻的科学人为科教强国勇攀科学高峰，奋斗拼搏，矢志不渝。
赵忠尧先生是我国著名物理学家，我国原子核物理、中子物理、加速器和宇宙线研究的先驱者和奠基人之一。赵忠尧先生 1902 年出生于浙江省诸暨县（现诸暨市）。他早年赴美留学，在加州理工学院师从诺贝尔奖获得者密立根（R. A. Millikan）教授，发现了硬 γ 射线通过重元素时的反常吸收及伴随的特殊辐射，这是人类历史上第一次观测到反物质粒子的产生和湮灭现象。1931年回国后，他先后在清华大学、云南大学、西南联大和中央大学任教。为促进国内核物理学科发展， 1946 年他再次赴美，在麻省理工学院、加州理工学院等开展核物理和宇宙线方面的研究。新中国成立后，他克服重重困难毅然回国，投身新中国的建设。
回国后，赵忠尧先生参与中国科学院近代物理研究所的创建，建成了我国最早的 70万电子伏和 200 万电子伏高气压型质子静电加速器，并先后担任中国科学院物理研究所副所长、原子能研究所副所长和高能物理研究所副所长，为我国原子能事业的发展和核物理、高能物理等领域的人才培养做出了巨大贡献。1958 年，赵忠尧先生参与创建中国科学技术大学，担任原子核物理和原子核工程系（后更名为近代物理系）首任系主任。他下大力气抓课程体系、师资队伍和实验室建设，并亲自讲授“原子核反应”课程。自从教以来，赵忠尧先生培养了包括多位“两弹一星”功勋科学家在内的一批又一批杰出人才。
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