證明
經(jīng)過兩年的努力,蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在于質(zhì)子和中子中。他將之命名為“k-works”,后來縮寫為“kworks”。之后不久,他在詹姆斯·喬伊斯(JamesJoyce)的小說中中讀到一句“三聲夸克(threequarks)”,于是將這種新粒子更名為夸克(quark)。與此同時(shí),加利福尼亞理工學(xué)院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也獨(dú)立地提出了這一預(yù)言。
夸克
1967年至1973年期間,美國麻省理工學(xué)院(MIT)的杰羅姆·弗里德曼(JeromeFriedman)、享利·肯德爾(Henrykendall)和斯坦福直線加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(RichardTaylor),在斯坦福(Stanford)利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的二公里電子直線加速器就電子對(duì)質(zhì)子和中子的深度非彈性散射開展了一系列開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)工作,榮獲1990年諾貝爾物理獎(jiǎng)。這說明,人們?cè)诳茖W(xué)上最終承認(rèn)了夸克的存在。斯坦福直線加速器中心所做的實(shí)驗(yàn)與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗(yàn)證原子核式模型的實(shí)驗(yàn)類似。正像盧瑟福由于大量α粒子的大角度散射現(xiàn)象的觀察,預(yù)言原子中有核存在一樣,斯坦福直線加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現(xiàn)象,證實(shí)核子結(jié)構(gòu)中有點(diǎn)狀組分。 事實(shí)上,在斯坦福直線加速器中心—麻省理工學(xué)院所做的實(shí)驗(yàn)之前,沒有人能拿出令人信服的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來證實(shí)質(zhì)子和中子中有夸克存在,那個(gè)時(shí)期理論學(xué)家對(duì)強(qiáng)子理論中夸克所扮演的角色還不清楚。
1962年,斯坦福開始建造大的直線加速器,它的能量為10-20GeV,經(jīng)過一系列改進(jìn)后,能量可達(dá)到50GeV。兩年后,斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個(gè)年輕物理學(xué)家的支持,泰勒就是其中一員,并擔(dān)任了一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的領(lǐng)導(dǎo)。不久弗里德曼和肯德爾也加入進(jìn)來,他倆那時(shí)是麻省理工學(xué)院的教師,他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實(shí)驗(yàn),這個(gè)加速器是一個(gè)回旋加速器,容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量,可以產(chǎn)生“超強(qiáng)的射線束、高的電流密度和外部射線束。加利福尼亞理工學(xué)院的一個(gè)小組也加入合作,他們的主要工作是比較電子—質(zhì)子散射和正電子—質(zhì)子散射。這樣,來自斯坦福直線加速器中心、麻省理工學(xué)院和加利福尼亞理工學(xué)院的科學(xué)家組成了一支龐大的研究隊(duì)伍。他們決定建造兩個(gè)能譜儀,一個(gè)是8GeV的大接受度能譜儀,另一個(gè)是20GeV的小接受度能譜儀。新設(shè)計(jì)的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們?cè)谒椒较蛴昧酥本€一點(diǎn)聚焦。這種新設(shè)計(jì)能夠讓散射角在水平方向散開,而動(dòng)量在垂直方向散開。 在那時(shí),物理學(xué)的主流認(rèn)為質(zhì)子沒有點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),他們預(yù)想大角度散射將會(huì)很少,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料的大。這是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn),人們不知道它意味著什么。在這種情況下,斯坦福直線加速器中心的理論家比約肯(J·Biorken)提出了標(biāo)定無關(guān)性的思想。在得出標(biāo)度無關(guān)性時(shí),他用了許多并行的方法,其中最具有思辯性的是點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。
1967年末至1968年初,深度非彈性散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已開始積累。當(dāng)肯德爾把新的數(shù)據(jù)分析拿給比約肯看了以后,比約肯建議用標(biāo)度無關(guān)變量ω來分析這些數(shù)據(jù)。按照舊方法描圖,數(shù)據(jù)很非常分散,但按比約肯的方法處理數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)竟很好地集中起來。1968年8月,第十四屆國際高能物理會(huì)上,弗里德曼報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1968年8月,加利福尼亞理工學(xué)院的R·費(fèi)因曼訪問斯坦福直線加速器中心時(shí),看到了非彈性散射的數(shù)據(jù)和比約肯標(biāo)度無關(guān)性。他認(rèn)為部分子在高能相對(duì)論核子中是近似自由分布的,也就是說結(jié)構(gòu)函數(shù)與部分子的動(dòng)量分布是相關(guān)的。這是一個(gè)簡單的動(dòng)力學(xué)模型,也是比約肯觀點(diǎn)的另一種說法。費(fèi)因曼的工作大大刺激了理論工作,幾種新的理論出現(xiàn)了。費(fèi)因曼根據(jù)夸克的要求,淘汰了一些假設(shè)。 一年以后,歐洲核子研究中心重液泡室的中微子非彈性散射,對(duì)斯坦福直線加速器中心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予了有力擴(kuò)展。后來的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質(zhì)子—反質(zhì)子碰撞、強(qiáng)子噴注都顯示了夸克—夸克的相互作用。所有這些都有力地證明了強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)。 夸克的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)及其在強(qiáng)子中的強(qiáng)約束的矛盾,使得物理學(xué)界接受夸克用了好幾年的時(shí)間。事實(shí)上,夸克理論不能完全唯一地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,獲得諾貝爾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)表明質(zhì)子中還包含有電中性的結(jié)構(gòu),那就是此后不久發(fā)現(xiàn)的“膠子”。在質(zhì)子和其它粒子中膠子把夸克膠合在了一起。
1973年,格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鮑里澤爾(H·D·Politzer)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范場的漸近自由理論。這種理論認(rèn)為,如果夸克之間的相互作用是由色規(guī)范膠子引起的,夸克之間的耦合在短距離內(nèi)呈對(duì)數(shù)減弱。這個(gè)理論后來被叫做量子色動(dòng)力學(xué),很好地解釋了斯坦福直線加速器中心的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外,漸近自由的反面,遠(yuǎn)距離耦合強(qiáng)度的增加解釋了夸克禁閉的機(jī)制。 總之,斯坦福直線加速器中心的電子非彈性散射實(shí)驗(yàn)顯示了夸克的點(diǎn)狀行為,成為量子色動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。