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[信息] 共振态20亿~24亿分之一粒子

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发表于 2008-12-2 10:53:35 | 显示全部楼层

共振态20亿~24亿分之一粒子

共振态粒子
  2003年7月30日,高能物理研究所在北京宣布,北京谱仪国际合作组在 5800 万 J/ψ 事例的数据分析中,发现了一个新的短寿命粒子,质量为 18.59 亿电子伏特,自旋为 0 。这种短寿命粒子通常被称作共振态。这个重要结果已在国际著名杂志《物理评论快报》( Phys. Rev. Lett. )上发表 , 并引起了国际高能物理界的高度重视。 各新闻媒体纷纷对此事作了报道,许多人由此对共振态产生了浓厚的兴趣:什么是共振态?世界上最早发现共振态的是谁?新发现的共振态有什么意义? 

  寿命极短的粒子被称作为共振态。当粒子寿命短于10 -10 s ~ 10 -12 s 时,很难在探测器中留下径迹而直接被探测到,只能通过其衰变产物的反应截面来观测。在研究原子核的散射和反应过程中,当入射粒子能量取某一确定值时,散射或反应的截面突然变大,截面随能量的变化曲线和力学中的共振曲线完全类似,因而被称为共振态。用量子力学可以证明,这种共振现象的出现是由于在该能量附近,入射粒子与原子核结合成为一个亚稳复合核。经过一定时间后这亚稳复合核衰变为末态粒子,这类亚稳复合核被称为共振态。共振态具有和稳定的强子类似的量子数,诸如自旋、宇称、同位旋、奇异数和粲数等等,只是它可以通过强相互作用衰变。其寿命一般短到 10 -20 s ~ 10 -24 s 。 

  

  

  1953年,来自意大利的科学家费米(Enrico Fermi,1901-1954) (左图) 和他的同事安得森(Herbert Anderson) (右图) 在美国芝加哥大学的同步回旋加速器上做实验时发现了质子—介子系统中的第一个共振态,但是那时候人们并未想到有这么多共振态。

  

  

  1952 年,美国物理学家格拉塞 (Donald Arthur Glaser) (左图) 制成了世界上第一台泡室 (右图为 格拉塞和他的泡室 ) ,在乙醚泡中显示了宇宙射线中粒子的径迹。这以后有好几个物理研究组开始将泡室用于高能物理研究,不断研究和发展泡室技术。 

  气泡室在高能物理研究中起了重要的作用 ,人们首先在质子—反质子的湮没中发现了一些共振态 ,后来在各种反应中出现了几十个、几百个共振 态 。60年代中,物理学家们一直在忙于寻找共振 态 ,直到今天,这项工作仍在继续进行着。 由于格拉塞对高能物理学的杰出贡献,他获得了1960年度的诺贝尔物理学奖。 

  

  

  谈到阿尔瓦雷斯( Luis Walter Alvarez , 1911 — 1988 ) (左图) ,由于阿尔瓦雷斯发展了氢泡室技术和数据分析方法,从而有可能发现许多共振态,大大促进了粒子物理学的发展,把人们对物质世界的研究提高到了一个新的阶段。 

  阿尔瓦雷斯 1911 年 6 月 13 日出生于美国加利福尼亚州的旧金山, 阿尔瓦雷斯在芝加哥大学原来主修的是化学,但他认为化学和数学都不大适合他的条件,乃转向学习物理。阿尔瓦雷斯 1934 年获硕士学位, 1936 年获博士学位,后到伯克利加州大学劳伦斯( Ernest Orlando Lawrence,1901—1958) (右图) 任主任的辐射实验室工作。 

  阿尔瓦雷斯参加过许多重大的基础科学和应用科学研究项目。他所在的伯克利辐射实验室成了核物理学的研究中心,费米当时就在这里工作。 

  

  1964年,美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929—) (左图) 提出 大多数基本粒子都是由更新的粒子夸克组成的 , 他将夸克分为3种:上夸克(u)、下夸克(d)和奇夸克(s)。 他说:“如果我们允许电荷为非整数值,那么可以构造一个简单而优美的方案”,即上夸克、下夸克和奇夸克的电荷数分别为2/3、-1/3、-1/3,质子是由两个上夸克、一个下夸克组成的;中子则是由一个上夸克、两个下夸克组成的。

  1964年,美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929—) (左图) 提出 大多数基本粒子都是由更新的粒子夸克组成的 , 他将夸克分为3种:上夸克(u)、下夸克(d)和奇夸克(s)。 他说:“如果我们允许电荷为非整数值,那么可以构造一个简单而优美的方案”,即上夸克、下夸克和奇夸克的电荷数分别为2/3、-1/3、-1/3,质子是由两个上夸克、一个下夸克组成的;中子则是由一个上夸克、两个下夸克组成的。

  

  

  盖尔曼的夸克模型 (上图) 为以后的科学实验所证实,他本人则由于这一成就而荣获 1969年 诺贝尔物理奖 。

  

  

  

  1974 年,丁肇中(Samuel Chao Chung Ting) (上左图) 和里克特(Burton Richter) (上右图) 分别独立地发现了新粒子 J/ψ ,其质量约为质子质量的三倍, 寿命比共振态的寿命长上万倍 ,原有的夸克理论已无法解释新的实验事实,因此引入了第四种夸克——粲夸克(c)。 

  1977年美国科学家莱德曼(Leon Max Lederman) (上图) 发现了由第五种更重的夸克——底夸克(b)构成的强子。根据理论上的对称性,物理学家预言应该存在第六种夸克称为顶夸克(t)。 

  

  

  为了寻找顶夸克(t)的蛛丝马迹,各国物理学家整整奋斗了17年。 美国、西欧中心、德国、日本等国不惜巨资建造一个个大型高能加速器。美国费米实验室的顶夸克组对有疑问的夸克的轨迹做了几千次的测量 (上二图) , 终于在1994年4月26日找到了顶夸克存在的证据 (上一图为示意图) 。

  北京谱仪国际合作组新发现的共振态是在分析 J/ψ 的辐射衰变到质子反质子过程中找到的,即丁肇中教授和里希特教授1974年发现的、由一对正反粲夸克组成的 J/ψ粒子 衰变到光子和这个新共振态,此共振态再衰变到质子反质子对。 J/ψ 的衰变研究是研究轻强子谱和寻找新粒子的理想物理过程。 

  

  

  分析结果表明: 这个新共振态的质量为18.59亿电子伏特, 宽度小于0.3亿电子伏特 (左图) 。需要特别指出的是,它的质量小于质子和反质子的质量之和。此前在分析北京谱仪改造前在二十世纪九十年代初获取得的800万事例数据时就发现这个共振态存在的迹象,但当时由于统计量有限,不足以确定为新共振态。 

  北京正负电子对撞机和北京谱仪在1999年初完成了升级改造,整体综合性能大幅度提高。在此后两年的运行中,北京谱仪获取了5800万的 J/ψ 事例,比世界上其他实验组高一个数量级以上 (右图) 。北京谱仪国际合作组对这些数据进行了深入细致的分析和研究后发现了新粒子,可见高统计量对新发现的至关重要。 

  目前,已明确排除这个新共振态用任何已知的共振态来解释的可能性,从而确认是一个新的粒子。粒子物理把由夸克、反夸克组成的粒子称为强子,之前的实验观察到的强子都是由两个或三个夸克(反夸克)组成的。 

  寻找多夸克态一直是国际高能物理实验的重要目标。在实验上早期发现的数百个介子共振态和重子共振态中,都没有多夸克态的确凿证据。最近,国际上有几个实验组在进行这方面的探索,并取得了显著进展。 北京谱仪国际合作组 新发现的粒子由于特有的性质,尤其是很窄的宽度而很难归结为通常的夸克—反夸克结合态,因而被推测为可能是一种多夸克态。有些物理学家认为,所发现的共振态粒子可能是重子反重子束缚态,类似于氘核是质子和中子组成的束缚态。 

  欧洲核子研究中心著名的理论物理学家J.Ellis最近在一篇评论国际高能物理研究在这个领域的最新进展的文章中,高度评价了北京谱仪的这一发现及其对发展强相互作用理论的重要意义。中外物理学家正对这个新共振态的性质和衰变特性从理论和实验上进行深入的研究和讨论。



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