上期簡要介紹了由于夸克禁閉的存在，夸克理論也蒙上了一層神秘色彩。但其實還是有人相信夸克理論的，就比如美國物理學家格拉肖，他在蓋爾曼提出夸克理論之后不久就表示很喜歡夸克模型，但是格拉肖認為夸克不只有三種，應該還有第四種，格拉肖還給這第四種夸克起了名叫做粲夸克（charm）有魅力的。

格拉肖為啥要預言第四種夸克呢？一個原因是他當時是在研究弱相互作用，他發現通過加入第四種夸克可以更好的描述弱力，也就是衰變的機制。還有一點，咱們之前說過輕子一共有6種，但是當時就只發現了4種，所以感覺輕子和夸克同為基本粒子，應該也有某種對稱的性質，所以夸克有可能也是4種。不過三夸克理論還沒被人普遍接受呢，這第四種夸克自然人們就更不相信了。接下來的故事就輪到丁肇中先生出場了。

1964年，丁肇中在哥倫比亞大學擔任講師其期間，他主要在研究一個叫做“重光子”的東西。你可能會問，光子本身沒有質量，怎么還有輕重之分呢？對，實際上重光子不是光子，而是一種介子，它的全名叫做矢量介子。這種粒子和光子的性質很像。我們知道正負電子對是可以相互湮滅然后產生光子的，但是這個過程只要提高正負電子對的能量，產物就有可能變成這種矢量介子。反過來也行，光子在和其它物質發生相互作用的時候，有可能會產生正負電子對。但是這個正負電子對是怎么來的呢？實際上是光子先變成了矢量介子，然后矢量介子衰變產生了正負電子對。這些矢量介子有質量，但除此之外與光子有一樣的自旋、宇稱值等等，所以才被叫做“重光子”。

丁先生具體做的實驗室用光子轟擊金屬鈹等核靶，如果你有印象應該還記得，這和之前光電效應、康普頓散射的實驗差不多，對，但是之前的實驗只是為了把電子打出來，但丁肇中的實驗目的是要轟擊原子核，因此就需要使用高能光子，至少要使用6GeV的加速器來代替普通的光源，這樣光子的波長就比原子核還要短，才能保證轟擊到原子核。一旦高能光子打到原子核就有可能產生矢量介子，然后矢量介子再衰變成正負電子對。通過一系列實驗，他發現了三種矢量介子。1967年丁肇中受邀來到MIT麻省理工學院，帶領了一個實驗小組，繼續完成自己的實驗。這些矢量介子就只有三個么？會不會因為能量不夠還有別的矢量介子存在呢？于是他開始尋求各種大型實驗室的合作，最后紐約的布魯海文國家實驗室同意了合作計劃，實驗目標是使用高達30GeV能量的質子去轟擊原子核，丁肇中相信在這個過程中一定會有高能正負電子對的出現，這樣就有可能生成其它的矢量介子。

1971年到1973年都沒有什么進展，主要原因就是矢量介子出現的概率太低了，100億個粒子中才有可能出現一個矢量介子。不過功夫不負有心人，終于到了1974年11月11日這一天，丁肇中實驗小組對外宣布，在3GeV的地方發現了一個新粒子！有趣的是，就在丁肇中團隊宣布發現新粒子的當日，SLAC團隊也宣布發現了一個新粒子，他們項目的負責人是物理學家里克特。更巧合的是，他倆發現的粒子質量都是質子的3倍，壽命都是10^-20秒，唯獨不同的是丁肇中管它叫做J粒子，里克特管它叫做ψ粒子。原來是兩個團隊在幾乎同時發現了同一種新粒子，使用的方法還不一樣，就這樣這個J/ψ粒子就被發現了。1976年丁肇中和里克特因為發現了J/ψ粒子共同獲得了這一年的諾貝爾物理學獎。

其實在J/ψ粒子發現之前，人們還發現了很多種新粒子，那為什么唯獨這個J粒子能得諾獎呢？這是因為J粒子用當時的任何一種模型都不放不進去，無法解釋。比如說蓋爾曼的三夸克模型，根據他的理論強子是由夸克或者反夸克組成的，不過通過這三種夸克的正反組合，不管怎么組合都得不到J粒子。而且J粒子的質量是質子的3倍左右，但這么大的質量應該壽命很短才對，結果它的壽命是10^-20秒左右，比其他質量差不多的粒子要高出3個數量級，這也是當時無法解釋的。這時候人們忽然想到了，格拉肖當年預言了第四種夸克粲夸克！正反粲夸克組成的正是這個J粒子，因此J粒子是一種介子。

只有加入粲夸克才能解釋這個J粒子的性質。所以J粒子的發現實際上是人們發現了第四種夸克了，從這之后人們才相信了夸克理論是正確的，并且正式把粲夸克引入了標準模型。因此丁肇中的發現被人們稱作是物理學上的11月革命。到了 1977年美國物理學家萊德曼又發現了Y粒子，證明了第五種夸克底夸克的存在，bottom，用字母b來表示，底夸克的質量是質子的10倍之多。后來物理學家又推測，應該還存在一個與底夸克相對應的頂夸克top，用t來表示，這樣6個夸克就齊了，輕子也剛好有6個，不過頂夸克一直到1995年才發現。總之，從這之后再也沒有人懷疑夸克模型的正確性了。

作者：媽咪說科普創作者

審核：羅會仟中國科學院物理研究所副研究員

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