“粒子物理标准模型”之父格拉肖

“粒子物理标准模型”之父格拉肖2005年11月11日，中国科学院爱因斯坦讲座教授，“粒子物理标准模型”之父格拉肖（Sheldon Lee Glashow l932-）教授（美国哈佛大学和波士顿大学）应邀来高能所访问，并做了题为“Comments about Particle Physics in China”的精彩报告。格拉肖是世界著名的理论物理学家, 美国科学院院士。他1932年12月5日生于纽约，1954年毕业于康奈尔大学，1958年在哈佛大学获得博士学位，1958-1960年在哥本哈根工作。1966年到哈佛大学任教，1967年起任教授。主要研究领域是基本粒子和量子场论。1976年获奥本海默奖，1979年与S温伯格、A萨拉姆共同获得诺贝尔物理学奖，1991年获Erice科学和平奖。上个世纪60年代初，格拉肖在规范场理论的基础上讨论过弱相互作用和电磁相互作用统一的问题，预言了中性弱流的存在，但没有能够从理论上得到有静止质量的中间玻色子。1975年，他和合作者一起在电弱统一理论和量子色动力学的基础上，提出了把弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来的大统一理论，在基本粒子和场论的理论研究以及宇宙学的研究中都有较大的影响。正是由于这些成就，他与S.温伯格、A.萨拉姆共同获得了1979年诺贝尔物理学奖。粒子物理标准模型堪称是二十世纪物理学取得的最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理标准模型奠基人之一，也是大统一理论的开创者，他还成功地预言了粲夸克的存在。科学家们经过多年的探索发现，世界上所有的物质都是由百十种不同的元素构成的，而元素又都由不同数目的质子、中子和电子组成，而质子、中子又有内部结构，它们由夸克组成（左图：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成），而 介子是由夸克和反夸克组成。质子、中子、介子、轻子、光子等统称为基本粒子，而基本粒子之间的相互转化是因为存在着引力、电磁力、弱力和强力4种自然力的相互作用。其中，几乎所有的粒子之间都存在引力，但电磁力只存在于带电粒子之间。这4种力之间有何关系？物理学家们一直力图找到把它们统一起来的途径。格拉肖（右图）是最早涉足弱力和电磁力统一研究领域的。弱力的强度只有电磁力的千分之一，它们是完全不同的两种自然力，1961年，格拉肖提出：弱力和电磁力的虽然似乎没有相似之处，但可以从用数学方式对这两种自然力的描述中看出它们在某些方面的相似性，弱力和电磁力的统一并不是没有可能的。格拉肖巧妙地运用规范场的方法，搭起了统一弱力和电磁力的框架。非阿贝耳规范场论是杨振宁和密耳斯（RL.Mills）在1954年提出的。但格拉肖没办法解释的是：弱力的作用非常微小，传递弱力的粒子却很重，它的质量约为质子质量的几十倍到百倍。为何传递子具有那么巨大的质量呢?温伯格（S.Weinberg，1933-）（左图）是格拉肖的同事，在研究自然力的统一问题时也遇到了同样的问题。温伯格注意到英国物理学家赫格斯在一篇论文中的论述：可以利用真空的某些性质，使本来没有质量的规范场，体面地获得质量。温伯格受到很大启发，运用这种思路在1967年成功地把弱力和电磁力统一起来。与此同时，巴基斯坦物理学家萨拉姆（A.Salam，1926-1996）（右图）的研究也获得了类似的结果。他们阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的，计算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并末引起人们的足够重视。1973年，欧洲核子中心和美国费米实验室在气泡室实验中相继发现了弱中性流（左图），人们才开始重视此模型。三位科学家创立了弱电统一原理：弱力和电磁力实际上是同一种力-电弱力的不同表现，1979年，他们共同获得了诺贝尔物理学奖（右图）。科学家致力于验证这一理论的研究，要在实验中寻找产生弱作用传播子W和Z0，有两个条件是必须具备的：一是对撞的粒子必须具有足够高的能量，以便有可能产生重质量粒子W和Z0；另一是碰撞的次数必须足够多，才会有机会观测到极为罕见的特殊情况。前者是鲁比亚的功劳，后者是范德梅尔的功劳。鲁比亚（Carlo Rubbia, 1934-）（左图）和范德梅尔（Simon Van Der Meer, 1925-）（右图）因在发现弱作用传播子W和Z0的大规模实验方案中所起的决定性作用，共同分享了1984年度诺贝尔物理学奖。鲁比亚建议将欧洲核子研究中心（CERN）最大的质子同步加速器（SPS）作为正反质子的储存环。质子束和反质子束在储存环中沿相反方向作环形运动，然后在特定位置相互碰撞。在SPS存储环的周边上安排有两个碰撞点，碰撞点周围装有巨大的探测系统，可以记录碰撞生成的粒子的信息，从而进行寻找弱作用传播子W和Z的实验。范德梅尔提出了随机冷却的方法，可以使粒子束得到“冷却”，提高束流密度，进而提高对撞机的亮度，使实验发现W和Z0粒子成为可能。1983年1月20-21日，在CERN这台质子反质子对撞机上工作的两个实验组分别宣布发现了W特性与弱电统一理论所期待的完全相符的规范粒子。由于产生Z0的机会要比产生W的机会小10倍，在花费4个月时间后想办法将加速器束流的亮度提高了10倍。1983年5月4日，鲁比亚领导的实验组终于找到了Z0的第一个事例。W和Z粒子的发现及其性质最终确定了弱电统一理论的正确性，对揭示弱作用本质有重大意义。目前，粒子物理研究已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造，将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类、