1974，丁肇中的惊心十一月

1974年11月16日，布鲁克海文国家实验室的丁肇中团队和斯坦福直线加速器中心的伯顿·里克特团队，宣布其分别领导的两个不同的研究团队，在两个不同的加速器上，用两种不同的方法，分别独立发现了同一种粒子。

1965年，丁肇中任教于哥伦比亚大学。那个时候，哈佛大学和康奈尔大学的两个研究组称，他们各自的实验都表明，量子电动力学是错误的，证据是电子是有体积的。

丁肇中的实验证明量子电动力学是正确的，电子没有体积。这一工作捍卫了量子电动力学。图源：科学人

布鲁克海文国家实验室(BNL)的交变梯度同步加速器鸟瞰图。丁肇中团队在该装置上发现了J粒子。图源：Flickr

丁肇中一贯将团队一分为二，互不沟通，分别独立进行数据分析。

1974年9月10日，丁肇中让两个数据分析小组报告结果，貌似发现一个质量约为3GeV的新粒子，但不敢确定。这是不是计算机bug造成的假象？

丁肇中请求BNL尽快再给安排8周的加速器机时。他表示，自己的经费快用完了，急需一些有意义的结果去申请更多经费。BNL方面给了丁肇中团队6周的机时，其中3周安排在10月末和11月初。

丁肇中团队发现新粒子的数据图。图源：The Hunting of The Quark。在粒子碰撞实验中，粒子相互作用面积或碰撞产物的生成量对碰撞粒子能量作图，峰值称为共振峰，是某种粒子存在的证据。

10月20日，丁肇中和团队成员飞抵纽约，准备BNL新的实验。

里克特团队的论文被各种事情耽误了，直到10月，依然还没有完成。他们应该感谢这次耽搁。

10月22日，布鲁克海文国家实验室，与丁肇中竞争机时的斯坦福大学教授梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz）从中国访问归来。他是文革开始后最早访问中国的美国科学家之一。他的助手告诉他，丁肇中的课题组发现了一个新粒子，质量比3GeV大一点。这位助手知道这件事是因为她正与丁肇中组的一位成员拍拖中。‍

梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz，1932年11月2日—2006年8月28日，1988年诺贝尔奖得主），图源：Flickr

施瓦茨马上明白了，实验室为什么把自己的机时匀给丁肇中。

施瓦茨是个爱凑热闹的人，他马上去找到丁肇中：“丁，我听说你在3GeV附近找到一个尖锐的峰？”

丁肇中立即否认，连称没有啊，别瞎说。

施瓦茨说，我给你赌10美元，你在3GeV附近找到一个尖锐的峰。丁肇中说你赢了。丁肇中在办公室白板上钉上备忘贴纸：我欠施瓦茨10美元。

丁肇中要求除了重复9月份的实验，还要求用几种新的方式收集数据。

10月末，数据分析完成，所发现的峰依旧在。

丁肇中的成员们兴奋不已，开始动手写论文初稿，多伊奇也多次打电话来，催促他们快速完成论文。丁肇中却要求大家稍安勿躁，继续收集和检验数据。

到了11月初，丁肇中团队已经确信他们发现了一个新粒子，丁肇中本人也没有任何怀疑了，他还专门打电话给自己的女儿，分享这一新发现。大家觉得，论文总该开始写了。丁肇中依然不让大家写。

丁肇中是个极端细致的人，容不得自己犯错。他以否定别人的实验而闻名，绝不能让自己成为被别人否定的人。

丁肇中认为，这个新粒子可能是一类新粒子，应该把同类粒子找全，之后再写论文。

丁肇中以前的实验都可通过现成的理论进行解释，然而这个新粒子暂时没有理论解释，这个事情让他困惑。

最后，丁肇中相信他的这一结果不会被人抢发，3.1GeV处的峰非常尖锐，其他加速器装置如果不特意在此处寻找，不可能发现这个峰。

丁肇中向前不久退休的同事魏斯科普夫教授展示了自己的发现，魏斯科普夫催促丁肇中尽快发表，不要再拖延了。

丁肇中这次听进去了。11月6日，他拜访《物理评论快报》期刊的主编George Trigg的办公室，咨询有没有可能绕过常规审稿程序快速发表。Trigg告诉他，可以的。

丁肇中返回后，让大家尽快写出论文。

丁肇中与同事，以及显示大约3.1 GeV 事件的图片。图片来源：布鲁克海文国家实验室

11月4日和5日，里克特团队开会讨论。Schwitter要求重做实验，确认3.1GeV处是不是有新的物理。

不巧的是，斯坦福正负电子加速环在夏天已升级至5GeV的能量，要退回到3.1GeV不是易事。作为团队领导人、SLAC国家加速器实验室主任，伯顿·里克特认为，高能物理应该往高能做，不应该再纠缠在3GeV能量下的事。

整个团队整整讨论了一个星期，最终在周五，里克特被说服了，要求团队成员在周末两天完成实验。

11月9日，周六，早8点，实验开始了。他们首先确认3.1GeV处的信号依然真实存在。随后在3.10至3.14GeV范围内不断细致调整正负电子束的能量，精确定位信号最强烈的位置。

实验控制室屏幕上能显示粒子碰撞事件中带电粒子轨迹。实验人员发现，正负电子束的能量从3.10GeV处每增大一点，屏幕上显示的粒子碰撞事件就明显增多。

11月10日，周日，当正负电子束的能量为3.104GeV时，屏幕上如烟花般灿烂，控制室所有人以手扶额，惊呼：“Oh my God! Oh my God!”

周日下午，实验者确定了正负电子束生成新粒子的反应最强烈的能量——3.105GeV。

实验者做出数据图，3.105GeV处的峰的宽度仅为几兆电子伏，如针一样矗立在那里。

里克特团队成员在紧张地分析数据。图源：https://cerncourier.com/

消息很快传遍整个SLAC国家加速器实验室，大家都围拢到控制室，分享喜悦。有人提出开香槟庆祝，发现实验室香槟所剩不多，杯子也不够用，一些人赶忙出去买香槟和酒杯。

里克特问大家，新粒子如何命名。他提议，命名为SP，即斯坦福正负电子加速环的英文缩写SPEAR的前两个字母。大家对这个名字都不满意。

里克特问在场的一位希腊物理学家Leo Resvanais，还有哪个希腊字母没被用来命名粒子。这位物理学家对着字母表一路检查，发现字母 ——读作iota，约塔——还没被使用。里克特对这个字母不满意，因为这个字母还有“小东西”的意思，今天确认的新粒子注定首个伟大的发现。下一个还没被粒子占用的字母是——读作，psi，普赛。里克特觉得会与量子力学里的波函数相混淆。Resvanais说，这正好显示这个新粒子像波函数一样伟大。

周日晚上，有个人探头向丁肇中团队值班办公室张望，好像在找人。这个人顺便对大家说，听说没，斯坦福的实验室在3.1Gev处发现一个共振峰，正开香槟庆祝呢。然后就走了，留下全办公室的人震惊不已，面面相觑，有人甚至留下泪水。

此时，丁肇中正在3万英尺高空的航班里看报纸。博士后吴秀兰（Sau-Lan Wu）马上给航空公司打电话，让乘客丁肇中落地之后，立即在机场回电话。

吴秀兰（Sau-Lan Wu，1940年5月11日—），华裔美国物理学家。图源：wikicommons

凌晨一点，丁肇中的电话来了，说他等天亮了就去SLAC核实一下。办公室里的人安慰自己，认为有可能是施瓦茨的人来搞的恶作剧。

凌晨两点，丁肇中刚在宾馆入住，接到了多伊奇的电话，多伊奇说，自己刚听说斯坦福方面刚发现了新粒子，感觉和你们发现的粒子是同一个。

丁肇中马上给SLAC的一位理论物理学家朋友打电话询问，对方说，确有此事，将于明天正式对外宣布。

丁肇中震惊了，自己可能是十年来最伟大的发现有可能被别人抢发，而这种局面却是自己的过分谨慎造成的。

丁肇中马上通知他的团队成员，所有人——不值班的同事也不要睡觉了——立即行动起来，准备明天正式宣布所发现的新粒子。

丁肇中马上跟里克特打招呼，并说：“我新发现了一些有趣的物理想告诉你。”里克特说：“我也新发现了一些有趣的物理想告诉你。”

里克特从办公室出来之后，马上给Schwitter打电话，告诉他，丁肇中的团队也做出了他们的发现。Schwitter说，这个事情欧洲的朋友已经打电话告诉自己了。

SLAC顾问委员会的会议第一项议程，斯坦福方面正式宣布了他们新发现的粒子。丁肇中坐在会议室的后排，马上站起来说，自己的团队也独立做出了同样的发现。Schwitter回忆说，丁肇中面色苍白，说话结结巴巴，与他一贯自信、严厉的气质大相径庭。

中午，斯坦福的Schwitter就新发现的粒子做了正式的学术报告。报告厅里挤满了人，除了物理学家之外，还有实验室技术人员、秘书、保安、保洁等，都来见证历史。Schwitter看到这种情形，没有做传统的学术报告，而是即兴做了个科普报告。

Schwitter发言之后，丁肇中站起来——此时，他已恢复了镇定和往日风采，简明扼要地介绍了自己团队的发现。

11月11日，丁肇中在斯坦福探听虚实的时候。他的同事、MIT退休不久的教授魏斯科普夫给Sullivan打电话，告诉他丁肇中发现了一个新粒子，是粒子物理界的大新闻。

魏斯科普夫还叮嘱Sullivan，在科学家正式公布和论文正式发表之前，千万不要报道，因为《物理评论快报》主编George Trigg有要求，拒绝发表先见报的成果。Sullivan表示同意，但提出，如果其他报纸如果也知道了这个消息，他将尽快见报。

Sullivan刚挂断电话，电话铃又响了，这次是丁肇中的一个学生打来的，告诉了他更多细节。

当天晚些时候，Sullivan又接到斯坦福方面的电话，被告知了粒子的发现。

Sullivan看到越来越多的人知道了新粒子的发现，很是着急，再拖下去，这个事情就没有新闻价值了。

丁肇中和里克特持续请求《物理评论快报》主编Trigg破例让Sullivan提前发布新闻，反正这个事情在业内几乎尽人皆知了。最终，Trigg同意了。

11月16日，周六，里克特和丁肇中举行联合记者会。

11月17日，周日，《纽约时报》头版报道了这一发现。

12月2日，《物理评论快报》正式发表了新粒子的论文，共三篇（Phys. Rev. Lett. 1974, 33, 1404; 1406; 1408），连续排在一起，前两篇依次为丁肇中和里克特两个团队的论文，第三篇来自欧洲。欧洲科学家风闻里克特的新发现之后，在意大利的对撞机ADONE上验证了新粒子的确存在，并初步研究了其性质。

新粒子的发现尘埃落定。

这个新粒子如何称呼呢？科学界觉得无论采用任一方命名的名称，都对另一方发现者的命名权不公平，因此将这个粒子并称之为J/ψ粒子。

1976年，丁肇中和里克特因J/ψ粒子的发现共享了诺贝尔奖。

这个新发现的J/ψ粒子为什么令人兴奋？丁肇中为什么为保住优先权而不眠不休？

这个粒子太特别了。丁肇中和里克特在联合记者会上说：“这个新粒子与已知的粒子都不同，一定有某种新结构。”

J/ψ粒子特别在哪里呢？

J/ψ粒子的寿命为 7*10^-21秒。这个寿命在粒子物理学家看来非常长，是同类典型粒子寿命的1千倍。你要是在生活中遇见一个寿命达到1万年的人，吃惊不吃惊？

J/ψ粒子的质量比较大，是质子质量的3倍。一般说来，粒子质量越大，衰变的可能方式越大，寿命也就越短，而J/ψ粒子为何不遵守这种规律？

一定有什么东西抑制了它的衰变。物理学家知道，这意味着物质世界存在一种新的守恒量。

这个守恒量是什么？J/ψ粒子到底是个什么样的粒子？全世界的理论粒子物理学家行动起来，几乎每个人都提出一个想法。这一火热朝天的景象，久违了。

随着理论理解的深入，J/ψ粒子的意义逐渐清晰起来，帮助验证和完善了夸克模型。实际上，c夸克与反c夸克共同组成了J/ψ介子。

“在这个发现之前，物理学家认为夸克只有三类。因为三类夸克（上、下、奇异）可以解释当时存在的大多数物理现象。这个发现之后，夸克种类增加到了四类，后来又发现了第五类（下），接着又发现了第六类（上）。”丁肇中后来接受采访时表示。

J/ψ粒子发现之前，粒子物理基本是实验引导的。自此之后，粒子物理学的发展很大程度上由理论引导。J/ψ粒子的发现正是这一转变过渡期的一项重要发现。

“这一发现意味着我们对物理学的理解完全不完整。必须建立新的模型。这就是我获得诺贝尔奖的原因——主要是因为 J 粒子改变了物理学的基本概念。”丁肇中在2018年接受采访时解释说。

J/ψ粒子的发现被誉为粒子物理学的十一月革命，可谓实至名归。

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