J/ψ粒子的发现

在发现了电子及构成原子核的质子、中子后，物理学的研究进入了更小、更复杂的亚核粒子世界。但是物理学家很快就发现，以往的研究手段在亚核粒子领域无能为力。于是从20世纪40年代起，物理学家便制造出一种更为先进的实验工具——加速器。美籍华裔物理学家丁肇中博士就是一位操纵着加速器驰骋于亚核粒子世界的实验物理学大师。

童年的童话

丁肇中是美籍华人，但是他的美国国籍却是由于意外的出生而得到的。1936年，在中国当教授的父母去美国密执安大学安阿伯学院进行学术访问。本来父母亲都以为孩子应该在访问结束后出生在中国，但在美国，母亲却偏偏早产了。由于美国的法律规定凡在美国境内出生者都可享有美国国籍，于是从出生的第一天起，丁肇中就是美国公民。

丁肇中的童年是在抗日战争期间度过的，他能回忆起跟随父母去过的很多地方，但却鲜有学校和教室的印记。那是因为日本飞机经常轰炸，他只上了几天一年级就不得不离开了学校。1945年，丁肇中一家迁居台湾。父母亲仍在大学当教授，他也终于能上学了，那时他刚好9岁。尽管他的起步比同龄者要晚，而且基础差得多，但他聪明好学，很快就成为品学兼优的好学生。

志趣的改变

1956年9月，丁肇中在台湾中学毕业。他觉得自己应该在一所更好的大学学习，于是怀揣父母给的100美元来到他的出生地美国密执安大学上学。本来他读的是工学院，但由于英语水平低，又看不懂工程图，所以考试差点不能及格。于是第二学期他仅选学自己觉得容易的数学和物理。他认为如果不这样，就无法取得好成绩，会失去奖学金。在这种情况下，指导老师让他第二年转到物理学系。但丁肇中后来讲，他真正对物理学有兴趣是在大学三年级。

丁肇中本来有志于理论物理，但后来却转向了实验物理。那是1960年4月，他正在密执安大学读研究生时，马丁教授急需找一名助手，而且条件非常优厚。在加利福尼亚的伯克利做一个暑假的实验，有300美元的工资，并提供来回机票。这些不薄的条件使丁肇中第一次进入实验物理学领域。

暑假结束后，丁肇中决定在伯克利继续干下去。这倒不是他真的喜欢上了实验物理学，而是马丁教授看中了这个具有东方血统的年轻人，教授极力挽留他并许诺，如果工作再努力，就能很快地取得硕士学位。还有什么话比这能使一名研究生更为欣喜呢?

丁肇中对自己职业的决定非常慎重，到底是从事理论物理还是实验物理，他询问了著名的物理学家、电子自旋的发现者乌伦贝克教授。教授告诉他:“做一名普通的物理实验员比一名平常的理论物理学家更重要，在理论物理学领域，只有极少数的理论物理学家是重要的。但你在实验室里，不论能做点什么，都是一种贡献。”丁肇中想有所贡献，于是选定了实验物理，并且一直从事亚核粒子物理学研究。

圆青年时代的梦

从青年时代起，丁肇中对光子就有了深刻的印象。因为物理学的许多发展或多或少都与人们对光的认识有关，这种看法吸引他最后走上了研究光子、重光子(性质与光子相同，但有一定质量)的道路。“自然界中到底有多少种重光子，它们有什么性质?”这样的问题经常在他的大脑中出现。

1971年，丁肇中终于有机会去实现自己的理想。他受麻省理工学院之聘，主持该院布鲁克海文国家实验室的研究工作。当时理论上已经认为，两个质子相碰撞，会产生正、负电子对，而当正、负电子因相遇湮灭时有可能产生新的类光子粒子。以往进行的这类实验由于使用的电子对撞机能量有限，很难获得成功。但是丁肇中认为，尽管每十几亿次质子的碰撞才有一次机会出现正、负电子对，但布鲁克海文有能量为300亿电子伏特的质子加速器，可以提供强大的质子流，实验极有可能成功。(https://www.daowen.com)

1972年，当丁肇中提出要进行这项工作时，受到了很多的批评和责难。首先有人认为他的这项工作复杂，成功可能性不大。丁肇中的回答十分简单:“在美国波士顿的雨季，也许一秒内降下的雨有一百亿滴，假如其中有一滴的颜色稍有不同，我们要找的就是这一滴。”还有人认为像他那为了谋求微小的目标，动辄耗资千百万美金，不惜动用庞大的实验设备和人力，实在是不值得。但丁肇中的看法却是，物理学的研究坚持这样一条反比定律:珍宝越小，锁头越大。丁肇中就是要做一个最好的锁匠。

J粒子的发现

1972年，丁肇中的“冒险”工程启动了。首先为了防止来自加速器的强大粒子流危及工作人员的安全，为了排除所有来自外界的对探测仪可能的干扰，他们采取了严密的防护措施，用1万吨混凝土、100多吨铅和5吨肥皂把整个工作室屏蔽起来。

为了避免错过任何一次有价值的发现，丁肇中还制定了一套严格的工作制度，每30分钟检查一次仪器的工作情况，并规定物理学家必须跟班检查。另外他还吸取别人的经验教训，不在探测仪的灵敏度上下太大功夫，而是努力提高它的分辨本领，事实证明丁肇中是正确的。1974年夏天，所有的实验设备开动了。起初他们试图在40亿～50亿电子伏特能量之间发现新东西，因为从理论上讲在这个量程里成功率最大，但是大半个夏天过去了，什么也没有发现。到了8月份，丁肇中及时修改实验方案，把能量降到30亿～40亿电子伏特之间。很快，探测仪开始显示出结果，当把能量调到31亿电子伏特时，仪器记录到的正、负电子对数突然成倍增加，并且集中在一个宽度为500万电子伏特的能量区间。在排除了各种可能的因素后，丁肇中预感新的发现就要诞生了。

也许是作为实验物理学家慎重所致，丁肇中不急于宣布他们的发现。到了11月，他们已有了500个这种同类事件的记录。测量数据表明，他们的发现是一种新的、完全没有预料到的粒子。这种新粒子的质量为质子的3倍多，寿命约为10¹²。秒。丁肇中命名这种粒子为J粒子，这是一个有意义的名字，J既是他的英文名的第一个字母，又与他的中文姓“丁”极为相似。

J粒子与J/ψ粒子

1974年11月初，丁肇中去斯坦福加速器中心参加学术会议，加速器专家里奇特教授也在这儿进行着与他类似的工作。会议之暇，丁肇中在斯坦福直线加速器实验室见到里奇特。他拿出自己的实验报告说:“教授，我有件工作上的要闻告诉你，你会对它有兴趣。”里奇特看过报告后，立即表现出极度的兴奋。他说:“丁博士，我也有重要的情况告诉你。”里奇特的报告和丁肇中的报告并排放在一起，所有的实验结果、测量数据、理论分析完全一样。唯一的区别是丁肇中的发现为J(吉)粒子，里奇特的发现为ψ(普赛)粒子

丁肇中感到事不宜迟，立即打电话告诉麻省的助手迅速公布成果。11月10日，《物理评论快报》公布了J粒子的发现，几乎与此同时里奇特也公布了自己的发现。由于发现的是同一种粒子，两人又未能在命名上达成一致，这种新粒子最后命名为J/ψ粒子。也就是说，在美国东海岸的麻省，人们叫它J，而在西部的斯坦福，人们又叫它ψ。如果你弄不清楚，就叫这种粒子为“吉普赛”好了。

J/ψ粒子与诺贝尔奖

J/ψ粒子的发现，显示出物质结构的丰富多彩，使人们对基本粒子的认识前进了一大步。科学家通过对J/ψ粒子的深入研究，找到了通向物质微观领域更深层次的一条有效途径。1976年，丁肇中和里奇特由于这一不约而同的发现而共同获得诺贝尔物理学奖。

在J/ψ粒子的发现之前，物理学上已经很长时间没有新粒子出现，从1957年发现反质子之后，活跃的物理学就进入“冬眠”状态，而J/ψ粒子的发现，标志着这一时期已经结束。全世界各国的物理学家纷纷放下手头的工作，改进原来的设备参与对J/ψ粒子的研究。他们确实发现了十几个与J/ψ粒子有关的新粒子，但它们都是J/ψ家庭的成员。

J/ψ粒子的发现和诺贝尔奖金的获得，使得丁肇中瞬间成为全世界知名的科学家。但丁肇中对此却很漠然，他认为不断有新的发现只不过是实验物理学家的日常工作。