1990年诺贝尔物理学奖——核子的深度非弹性散射
诺贝尔为什么没有数学奖1990年诺贝尔物理学奖——核子的深度非弹性散
射
1990年诺贝尔物理学奖授予美国马萨诸塞州坎伯利基麻省理工学院的弗里德曼（JeromeI.Frierdman,1930—）、肯德尔（HenryW.Kendall，1926—）和斯坦福大学的加拿大物理学家理查德·泰勒
（RichardE.Taylor，1929—），奖励他们在60年代末、70年代初对于电子与质子及束缚中子深度非弹性散射①进行的先驱性研究，这些研究对粒子物理学中夸克模型的发展起了重要作用。
这是继霍夫斯塔特于1961年，丁肇中和里克特于1976年，菲奇和克罗宁于1980年，鲁比亚和范德米尔于1984年以及莱德曼、施瓦茨和斯坦博格于1988年之后，实验粒子物理学家又一次荣获自然科学中的最高嘉奖。这件事说明了实验粒子物理学在当代物理学中占有相当重要的地位。
这三位获奖者中，有两位（弗里德曼和肯德尔）是麻省理工学院（MIT）的物理学教授，另一位（泰勒）是斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）的物理学教授。他们三人都是60年代SLAC-MIT研究小组的关键人物。在他们主持下进行的“SLAC-MIT实验”取得了有关核子（质子和中子）内部结构的重要信息，为进一步研究物质最深层结构铺平了道路。
这项成果的取得，首先要归功于高能量加速器的建设。图90-1是从20世纪30年代开始到60年代末，各种加速器的发展概况示意图。图中①表示电子感应加速器，②表示电子同步加速器，③表示同步回旋加速器，④表示电子直线加速器，⑤表示质子同步加速器，⑥表示质子直线加速器，⑦表示回旋加速器，纵轴表示加速器的能量指标。
从图中可以看出，60年代中期，电子直线加速器的能量处于领先地位，图中有一个点代表的就是 SLAC新建的 20 GeV电子直线加速器。
著名物理学家汉森和斯坦福大学的同事们发明了速调管微波振荡器后，于1947年创制了第一台电子直线加速器。1952年第三台电子直线加速器在斯坦福大学建成，命名为Mark Ⅲ，可使电子加速到1 GeV。霍夫斯塔特就是用这台设备进行电子-质子散射实验，对核子结构作了奠基性研究，由此判定质子是非类点粒子，直径不小于10-13cm。在他的倡导下，斯坦福大学从1962年起，兴建能量大于20 GeV的电子直线加速器。
微波加速的真空管道长2英里（3 km），安装在7 m多深的隧道里，280号高速公路横跨其上，巍然壮观。加速管道每12 m为一单元，每单元有一台安装在地面上的大功率（24 MW）速调管微波振荡器提供驱动电场，共有245台类似的振荡器。在地下隧道中真空管道靠粗大的钢筒支持，用激光束准直，要求3 km长度的准直偏差不超过千分之一厘米。在真空管道中安装有8万多个中空的铜盘和8万多个中空的铜柱。3 km长管道的末端，电子束要通过300m的开关区，再进入两个终端实验站，终端站A研究的就是电子散射实验。这是一座高约七层楼、面积二千多平方米的大厅，内有三台巨型磁谱仪（图90-2）。入射电子束首先打到充有液氢（或液氘）的靶子上，靶子呈筒状，筒上开有铝窗或不锈钢窗。散射的电子投向四面八方。三台磁谱仪都可沿弧形钢轨移动，以接
收不同角度的电子。三台磁谱仪接收电子的最大能量分别为20 GeV，8 GeV和 1.6GeV。其中 20GeV磁谱仪最大，长达50.2 m，重1700t。
这座大型加速器的诞生，与斯坦福高能物理实验室主任、美籍德裔物理学家潘诺夫斯基（Panofsky）教授的积极活动是分不开的。经过五年的周折，他们的建设方案才于1962年得到批准。
SLAC建设之初，前面提到的R.E.泰勒，负责磁体和谱仪的安装，后来成了实验项目的总负责人；弗里德曼和肯德尔原来都是斯坦福大学的教师，后转MIT任教，新加速器工程上马后，他们参加了MIT研究小组，回到SLAC，两人亲自为谱仪制作粒子探测器，后来负责处理实验数据，1972年代表全体实验小组成员作了总结报告。
1967年，大型电子直线加速器建成并达到设计能量。作为试运行开始了一系列电子质子散射实验。实验结果证明性能良好，不但电子束入射能量比一般大得多，而且电子束强度也大得多。在经过论证的十九项实验方案中，有三项是SLAC、MIT和加州理工学院（Caltech）联合提出的。这三项的内容是：电子质子弹性散射、正电子质子弹性散射、电子质子非弹性散射。第一轮实验结果很平常，只不过是进一步证实了已有结论。Caltech成员感到工作过于单调，决定退出联合小组。SLAC和MIT成员继续实验，并逐步加大电子束能量，进行电子质子非弹性散射实验，测到了三个峰值，这三个峰相当于质子的共振态。
再进一步把能量加大到几GeV量级，进入所谓深度非弹性区域。这是从未有人探索过的区域。为什么叫深度非弹性呢？因为这时电子的能量是如此之高，竟可以深入质子内部，甚至把质子打碎。这时非弹性散射公式
e＋p→e＋X
中的X可以是一系列强子。
由于质子分裂成碎片，要吸收更多的能量，散射电子的能量要比平常低得多。然而，出乎实验者预料，当进入深度非弹性区域时，电子损
失了很多能量后，比起能量损失较小时，以更大的几率出现在大角度上。换句话说，就是电子质子深度非弹性散射的大角度散射截面，比弹性散射的大角度散射大得多。起初他们还以为是结果不正确，或者是解释有错误，还可能是因为出现了系统误差，误差的来源也许是所谓的辐射修正，入射电子或散射电子以光的形式辐射掉了相当大的能量。于是他们对辐射修正作了仔细研究。结果证明，辐射修正并不重要。他们把电子质子深度非弹性散射和电子质子弹性散射及电子电子弹性散射分别进行比较，发现随着散射角的增大，电子质子弹性散射截面急剧下降，而深度非弹性散射截面与电子电子弹性散射截面之比却保持不大的变化。这一事实表明，电子以极大的能量深入到质子内部时，遭遇到的不是“软”的质子靶，而是和电子类似的点状“硬”核。然而，当时实验家们并没有领悟到这一点，而是感到迷惑不解。在发表第一批实验结果时，他们非常谨慎。大家知道，60年前盖革和马斯登发现α粒子大角度散射时也曾出现过类似情况。如果不是卢瑟福的及时指导和理论分析，也许会错失发现原子核的良机。SLAC-MIT小组在60年代末的情况虽然比较复杂，但也有类似之处。如果不是有理论家，特别是布约肯
（J.D.Bjorken）和费因曼的及时配合，恐怕一时很难对实验结果作出正确解释。时隔半个多世纪的两件有历史意义的重大实验发现，都为我们提供了理论与实验相辅相成的典型例证。
1932年查德威克发现中子，是继1911年卢瑟福论证原子有核之后的又一重大进展。从此关于原子核结构的知识与日俱增。海森伯在发现中子的基础上提出了原子核由质子和中子构成的主张，于是中子、
质子和电子被认为是物质的三种基本成分。然而不久就认识到，质子和中子是比电子复杂的粒子。因为核子具有反常磁矩，会产生出人意料的强磁场，这只能解释成核子内部有电流。50年代，用电子散射方法研究核子结构，对核子内部电荷分布和磁性分布进行了测量。与此同时，一大批强子陆续发现，它们的性质与核子类似。于是促使人们进行有关强子分类的理论研究。经过多次尝试终于成功地解决了强子之谜，其中主要是通过盖尔曼的工作。他在1961年提出用SU（3）对称性对强子分类
的“八重法”。1964年，他预言的重子Ω-被实验证实，进一步促使他提出假设，即作为SU（3）的物理基础的所谓三重态，实际上是三种不同的基本粒子。盖尔曼统称之为夸克，并且认为，夸克是自然界中更基本的物质组成单元，所有已知的强子都是由这三种夸克及其反粒子组成。由于夸克模型能够成功地解释许多事实，把极为复杂的事情变得非常简单，立即得到人们的普遍重视，于是掀起了一场寻夸克的热潮。人们用海水和陨石作实验；探测宇宙射线；运用各种高能加速器，希望能到夸克存在的证据。然而，在1969年以前，什么证据也没有到。这
时，大多数人已经不抱希望，认为不到夸克存在的证据，只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号，物理方程中的一个数学量而已。
费因曼和布约肯则是从另外一些角度研究这个问题。早在60年代初，费因曼就曾用直观图像来描述高能强子之间的相互作用，认为这种相互作用是通过交换强子内部的组成部分来完成的，他把这些组成
部分称为部分子。布约肯是SLAC理论组的成员。他曾运用流代数研究中微子散射。当SLAC-MIT实验得到反常结果时，他转而研究电子质子深度非弹性散射，运用流代数求和规则对实验结果作了分析，并提出标度无关性（scaling）对实验结果作出解释。流代数是很抽象的数学方法，他的工作一直未能得到人们的理解。
1968年8月，正当人们对标度无关性的物理意义疑惑不解之时，费因曼来到SLAC实验小组，人们向他展示深度非弹性的反常结果，并告诉他布约肯用标度无关性作出的解释。费国曼很感兴趣，只用了一个晚上就解决了这个难题。他把质子看成是部分子（类点粒子）的复合体，把电子质子深度非弹性散射看成是电子与部分子发生弹性散射。经过计算，证明布约肯的标度无关函数正是部分子的动量与质子动量之比。就这样，费国曼从深度非弹性散射和标度无关性到了部分子模型的重要证据。
费因曼的部分子模型和盖尔曼的夸克模型有异曲同工之妙，他们从不同角度用不同方法达到了相同结论。人们很快就明白了，原来部分子和夸克是一回事。
电子质子深度非弹性散射实验还表明，盖尔曼在1962年提出的电中性粒子“胶子”有可能存在。1971年韦斯柯夫（V.F.Weiskopf）和库提（N.Kurti）提出，正是这种“胶子”在夸克间传递强相互作用，才使夸克组成强子。接着，1973年创立了量子动力学，1979年丁肇中小组首先到了支持胶子存在的证据。由SLAC-MIT实验引起的一系列新进展，使物理学进入了一个新的时代。
里查德·泰勒1929年11月2日出生于加拿大的西南阿尔伯塔（Alberta）的梅地辛海特（Medicine Hat）小镇上。母亲是美国人。小时数学成绩优秀，后人艾德蒙顿（Edmonton）的阿尔伯塔大学，主修物理，在做硕士学位论文时选的题目是用旧的威耳逊云室测量双β衰变。在学习期间，曾用两个暑假到国防研究部当研究助手，受到维金斯（E.J.Wiggins）博士的欣赏，维金斯鼓励他继续在物理学方面深造。于是后来泰勒就和他的妻子来到美国的斯坦福大学，妻子在一所军事学校中做事，以维持生活。在斯坦福大学，有布洛赫、希夫（L.Schiff）、兰姆、霍夫斯塔特、潘诺夫斯基等著名教授。泰勒决心努力工作，绝不掉队。正好在这时斯坦福大学建造的一台新的直线加速器开始投入实
验。泰勒的博士论文就是用这台加速器的射束生成极化γ射线，并用之于研究π介子的生成。这是一项相当难的课题，在莫兹勒
（R.F.Mozley）教授的指导下，泰勒出地完成了这项实验。
1958年泰勒应邀来到法国巴黎高等师范学院，参加设计一台和斯坦福大学的直线加速器相似的设备。三年后泰勒回到美国，在伯克利加州大学劳伦斯实验室工作一段时间后，即回到斯坦福参加SLAC的建设。他先是设计SLAC的实验区域，1963年又参加一个为电子散射实验作准备的小组。他先后花了10年时间，协助建造装置，进行各种电子散射实验，其中很多与1990年的诺贝尔物理学奖有关。
1971年泰勒获得资助来到欧洲核子研究中心（CERN）作学术休假。1981年泰勒曾到汉堡的DESY参
加实验工作，1982年回到SLAC当这一实验室的研究副主任。
肯德尔1926年12月9日出生于美国马萨诸塞州波士顿一个商人家里。他从小学业不是很好，因为他对学校作业很感头痛，对学业以外的事情反而更感兴趣，他对机械、化学和电学的事物有极大的积极性和好奇心。1945年夏，肯德尔进入美国商务学院，第二年转到阿墨斯特（Amherst）学院。他虽然主修的是数学，但兴趣却在物理方面。无论是大学阶段的研究工作还是毕业论文，都做的是物理课题。1950年肯德尔申请并被录取进入MIT当研究生，后来做的博士论文题目是测量正电子素中的兰姆位移。这一实验虽然未获成功，但却是通向电磁相互作用和有关理论很有意义的引导。肯德尔在获得博士学位之后的两年，在MIT和布鲁克海文国家实验室当博士后，然后到斯坦福大学参加SLAC 小组。
弗里德曼1930年3月28日出生于美国依利诺斯州的芝加哥，父母都是俄国移民。父亲参加过第一次世界大战，他们没有机会受教育，因此特别珍惜子女的教育。弗里德曼在高中时读过一本题名《相对论》的小册子，引起了对科学的兴趣。他没有接受艺术学院的奖学金，立志要进芝加哥大学，因为费米教授在那里。父母没有力量支持他上大学，弗里德曼是靠的奖学金才得以进入芝加哥大学物理系。费米的演讲对他来说，简直就是一种享受，他如饥似渴地学习物理，1950年入学，1953年就取得了硕士学位，1956年又取得了博士学位。指导教师正是费米，费米把他引向最具疑惑力的课题，他选的博士论文课题是用核乳胶研究质子以回旋加速器能量从原子核散射后产生的极化。目的是要判定极化是起因于弹性散射还是非弹性散射。可惜费米在1954年因病突然去世，乃由马歇尔（J.Marshall）继续
指导。弗里德曼在获得博士学位之后继续留在芝加哥大学当博士后。当时正值李、杨宇称不守恒原理刚刚发表，弗里德曼和特勒迪（V.Telegdi）就及时地用核乳胶探讨μ子衰变的宇称破

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