诺贝尔物理学奖得主丁肇中:如何测量电子大小?在宇宙射线中发现了什么?

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如何测量电子大小?在宇宙射线中发现了什么? - 俄罗斯卫星通讯社
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诺贝尔物理学奖得主丁肇中(美国麻省理工学院)出席俄罗斯国立核能研究大学莫斯科工程物理学院(MEPhI)在莫斯科举办的第四届粒子物理学与天体物理学国际会议并发表讲话。会议期间,丁肇中教授接受俄罗斯卫星通讯社记者采访,介绍了自己在科学领域取得的主要成就,至于是否可以期待实验终会给出当代物理主要问题的答案,丁肇中也发表了自己的看法。

- 丁教授,您因为发现J/ψ粒子而获得诺贝尔奖。大家认为,J/ψ粒子是粒子物理标准模型的成分。近年来,科学家做了很多实验,力图找到标准模型的偏差,但暂时还没有成功。您认为,将来能找到这些偏差吗?

— 如果实验只是要证实标准模型的正确性,那么这将是巨大的不幸,因为物理学进步的根基在于那些为挑战理论做的实验,而不是为证实理论做的实验。
您提到了我1976年获得诺贝尔奖的原因。在此之前,标准模型确认存在3种夸克--u、d、s,而且所有人都相信,因为这让大家能够很好得解释所有已知物理现象。
1972年,我曾提出一个问题:为什么只有3种夸克?并决定通过实验来寻找新粒子,但我的想法没有获得理论物理学家的支持。

两年后,我发现了新粒子,后来又发现了整个J粒子家族,而且其寿命是之前已知粒子的1万倍。这一发现改变了科学家的观念,我也因此获得了诺贝尔奖。
现在,标准模型有6种夸克。当然,用它可以解释所有现存现象,而且到目前为止,实验还未发现矛盾之处。但这不意味着,标准模型就是对的。可能再过100年,会有更大的加速器,也会找到标准模型的偏差。

- 除发现J/ψ粒子外,您认为您在科学领域还取得了哪些主要成绩?

— 我做了几个实验,第一个是测量电子大小。

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1948年,科学家提出量子电动力学理论。根据该理论,电子大小不可测量。这一理论被认为是正确的,提出者于1965年获得了诺贝尔奖。
我年轻时发现一种方法,通过它证实了电子大小确实不可测量。

之后,我做了另一个有趣的实验。您知道,光波没有质量。但有三种粒子质量为10亿电子伏特,大小与质子相当,它们的自旋及其他量子数与光子完全一致。与光子不同的是,它们并非零质量,其质量与质子接近。

这就出现了一个问题:光子能否转为这些粒子,而这些粒子又能否转为光子?质量应该不重要。这个实验很难。而我成功地证明,是的,光子偶尔有可能转为有质量的粒子,可能性为百万分之一。

还有一个有意思的事情,我们是与俄罗斯科学院理论物理和实验物理研究所以及库尔恰托夫研究所的专家一起做的。我们用20年的时间在欧洲核子研究中心(CERN)开展实验,使1000亿电子伏特的电子和1000亿电子伏特的正电子对撞,产生的光带有的能量大约为数十亿电子伏特,明亮刺眼,温度很高。

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实验中我们还尝试探索宇宙起源。然后我们问自己:那里有多少夸克、多少电子?电子是否有体积?标准模型运作吗?

20年后我们得出结论,电子、μ子和τ子是半径小于10-16厘米的点粒子:电子,通过导体从外部进入;μ介子,从太空而来(是电子重量的200倍);τ子,存在于核中,(是电子重量的 4000 倍)。

而且电子没有体积。我用相当长一段时间都在研究电子体积,结果无法确定它到底有多小。

-您在会上介绍了在国际空间站开展的AMS实验取得的成果,此项研究的目的是什么?

— 存在两种宇宙射线。第一种射线为光波和中微子,不带质量,近百年来已对这种射线进行了详尽的研究。第二种射线为带电粒子:电子、正电子、质子、反质子…… 它们具有怎样的特性?我们至今都没有答案。

事实上,我们生活在1千米厚的大气层下,来自太空的带电粒子被大气层吸收或散射,所以我们无法确定他们的来源或性质。

要做到这一点,需要到太空去。由于一些粒子带正电,另一些带负电,为了区分它们,我们要使用磁体,使其在磁场中分离。

将强大的磁体送入太空是一项艰巨的任务。如果将磁体放入火箭或国际空间站,可能导致它们失控。但我们的俄罗斯朋友找到了解决方案,所以太空中才出现了磁谱仪。

AMS实验在国际空间站已经开展了7年,只要空间站还在就会一直进行下去。

- 您通过这个实验了解到了什么?

首先,正电子的表现异常地取决于所携带的能量。宇宙射线在星际空间发生碰撞产生低能正电子,高能正电子可能源自脉冲星或暗物质。我们共观察到200万个事件,对上述结论未产生任何质疑。

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其次,关于电子,我们观察了2800万个事件后确定,低能和高能电子来源不同。

第三,我们测量了初级宇宙射线中的重核,也就是宇宙空间站AMS探测器记录到的由辐射源直接发出且未与其他物质发生相互作用的射线。

我们研究了由氦、氧和碳组成的初级宇宙射线,发现,尽管核质量不同,但对于这些核而言,通量对单位电荷脉冲,即磁刚度,的依赖性却完全相同。

我们还发现,初级宇宙射线与其他物质发生相互作用产生的次级宇宙射线由锂、铍、硼组成,对磁刚度的依赖性完全是另一种。

- 您领导着一个由世界各地500多名物理学家组成的团队,您必须与俄罗斯科学家合作吗?现在您出席会议与您的计划有关吗?

— 我已经是第二次来到MEPhI了。这个学校的研究人员非常棒,他们之前参加过重要的国际实验PAMELA(https://space.mephi.ru/project/pamela.htm),并对该项目的成功做出重要贡献。现在开展的AMS实现精确度要高得多,我想邀请MEPhI的科学家继续与我们合作。

总的来说,俄罗斯科学家为粒子物理学和高能物理学的发展做出了巨大贡献。

- 能否认为参加这种大型科研团队对研究人士而言是最具前景的工作方法?

— 我认为,出现这种现象是因为我们不够聪明。当然,最好是自己搞研究,这样就不用和谁去争去辩……

我刚踏上高能物理这条路时,团队里只有4个人,如今已经几百人了。我常常思考这个问题,进入一个千人团队对年轻科学家到底有没有意义。

- 现在基础物理学面临的主要问题是什么?什么时候可以解决?

— 曾做这种预测的人往往后来都后悔了。我只想说,上世纪30年代,日本物理学家汤川秀树曾预言存在介子和强核力。1949年战争一结束,他便获得了诺贝尔物理学奖。此后,许多物理学家开始研究这方面的东西,认为问题很快能够解决,但那只是一个开始。

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