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从空中楼阁到微观世界的理论基石 空中楼阁理论( 三 )


我们知道，这个世界上所有的宏观物体都是由无数被称为原子的微小粒子组成的 。原子由一个位于其中心最小空空间的原子核和几个在外层空空间围绕原子核运动的电子组成 。原子核包含几个紧密结合的质子和中子 。这些原子核中质子和中子的数量不同，决定了不同的原子具有不同的物理性质 。我们熟悉不同的原子，如氧、碳、氢等 。由于原子核中的质子数不同，它们表现出不同的性质 。
但是质子和中子是物质的最小结构吗？科学家对此的认知也随着实验的进展而逐渐改变 。在20世纪50年代，研究微观粒子实验的物理学家发现，少数粒子表现奇怪，寿命比其他粒子长得多 。
为了解释这些粒子的奇异现象，20世纪60年代初，以默里·盖尔曼为代表的粒子物理学家提出了夸克模型的概念，认为大多数粒子只含有上夸克和下夸克，而这些奇异粒子的结构中含有另一种与下夸克电荷相同的成分——“奇异夸克” 。虽然这样一个包含三个夸克的夸克模型成功地描述了上世纪60年代发现的几乎所有基本粒子的物理性质，但无论如何，这个带有分数电荷的假设在当时都显得有点疯狂 。

默里·盖尔曼，夸克之父
也许是为了淡化这个疯狂想法的严重性，盖尔曼选择用一个模仿鸭子叫声的荒谬名字“夸克”来命名他的假想粒子 。甚至在他提出夸克理论之初，他自己也只是想象了他所想象的粒子名称的发音，没有固定的拼写 。
与此同时，著名物理学家理查德·费曼提出了另一个模型，称为“部分子模型”，以了解基本粒子的行为和分类 。夸克模型和部分子模型都可以解释粒子分类中的一些问题，所以直到20世纪60年代末，粒子物理学都没有完全接受夸克模型 。就连夸克模型的提出者盖尔曼也保持着谨慎的态度，称夸克模型只是一个数学模型，并试图模糊夸克是否真的存在的话题 。即使当斯坦福直线加速器中心信息资源网(SLAC)在1968年发现质子中确实存在更深的二级结构时，科学家们仍然更愿意相信所发现的二级结构是部分子而不是夸克 。

理查德·费曼
那么事情是如何扭转的呢？夸克模型是如何成为粒子物理学家的共识的？
在盖尔曼提出夸克模型后不久，谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)和詹姆斯·比约肯(James Bjorken)在盖尔曼包含三个夸克的模型基础上提出了第四个夸克存在的假说 。格拉肖和比约肯将他们构想的第四种夸克命名为“魅力” 。魅力这个词的意思是“魔力、魅力和吸引力” 。glashow认为魅力夸克的魅力可以使夸克模型更加完善 。

詹姆斯·比约肯

谢尔顿 。
我国著名物理学家王竹溪先生，曾指导过李政道、杨振宁等人，把这种夸克的中文名翻译成“粲夸克” 。“charm”一词的意思是“美丽生动”，与英语charm的发音相似，表达的意思与英语原词相似 。在华人圈的其他地方，比如中国台湾省，粲夸克被更直白地翻译成了“粲夸克” 。
格拉肖和比约肯似乎是数学对称之美的终极追求者 。他们认为既然在盖尔曼的模型中存在一种类似于下夸克的奇异夸克，那么就应该存在另一种类似于上夸克的夸克 。不仅如此，新夸克的加入可以更好地描述弱相互作用，这是自然界最基本的相互作用之一 。然而，他们的猜测在当时并没有受到重视 。
这是glashow，John Iliopoulos和Luciano Maiani在1970年写的一篇论文，他们在论文中提出了更多关于粲夸克存在的证据 。文中的理论观点后来以他们三人的首字母命名，称为GIM机制 。格拉肖对魅力夸克理论非常有信心，他甚至在1974年举行的一次国际会议上竖起了一面旗帜 。如果两年内找不到魅力夸克，他就把自己的帽子吃了！

约翰·利尔普洛斯

卢西亚诺·梅安妮
事情没有让格拉肖失望 。在他进行了一场吃帽子的赌博后不久，几个实验小组发现了一些有趣的新结果 。1974年9月，美国布鲁克海文国家实验室的丁肇中实验小组利用向铍靶发射高能质子并从碰撞产物中寻找正负电子对的方法，发现了一个奇怪的信号:他们发现总能量为31亿电子伏的正负电子对出现的频率非常高，这意味着大规模产生了一种质量为31亿电子伏的新粒子 。在粒子物理学家看来，质量和能量是等价的，31亿电子伏的能量相当于一个电子在31亿伏电压下获得的能量 。丁肇中的学术声誉很好，他在实验中非常谨慎 。他不愿意贸然发表任何可能是错误的结果 。在粒子物理实验中，经常会有仪器原因造成的干扰信号 。在我们确定实验结果不是某种错误的电子信号之前，丁肇中的团队正在秘密地分析和检查他们的实验数据 。


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