1980年诺贝尔物理学奖

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1、1980年诺贝尔物理学奖-P破坏的发现1980 年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州芝加哥大学的克罗宁( JamesW.Cronin, 1931)和美国新泽西州普林斯顿大学的菲奇(ValL.Fitch, 1923), 以表彰他们在中性K-介子衰变中发现基本对称性原理的破坏。1956 年，李政道和杨振宁提出：在弱相互作用中宇称 P 是不守恒的，几个 月后，宇称不守恒定律得到了吴健雄等人的实验验证。因此李、杨在 1957 年获 诺贝尔物理学奖。在描述粒子物理学中发生的各种过程，物理学家除了运用能量、动量、质量 和电荷这些基本概念和有关的守恒定律外，还提出了一些重要的物理量，其中有 宇称、电荷共轭和时

2、间反演。宇称以 P 表示，宇称守恒反映了镜象反射的不变性， 也就是说，把一个过程换成它的镜象过程后仍然遵从原来的规律；电荷共轭以 C 表示，电荷共轭守恒反映了正反粒子变换的不变性，也就是说，把参与一个过程 的所有粒子换成相应的反粒子时，其物理规律不变；时间反演以 T 表示，时间 反演守恒即时间反演不变，也就是说，如果时间倒转，物理规律不变。长期以来，物理学家往往认为 P， C， T 守恒定律和能量、动量以及动量矩 守恒定律一样，都是粒子物理学中的基本定律。因此， 1956 年李政道和杨振宁 发现弱相互作用中宇称不守恒在粒子物理学界引起了极大的震撼。但是人们仍然 认为，即使P不守恒，CP联合应该

3、是保持守恒的。1964 年，克罗宁、菲奇及其合作者克里斯坦森( J.H.Christenson )和特莱(R.Turley)首先从实验中找到了破坏CP守恒的事例。他们的这一发现是从研究K介子的衰变过程得到的。根据旦守恒定律，长寿 命的中性生3个兀介子，但他们在实验中发现每一千次衰变事件中总 应衰变产有两起违背CP守恒，即只产生一对n介子。这一发现又一次引起 了物理学界的震惊，因为这是继宇称不守恒的发现之后的又一重大突破。它不仅 意味着时间反演在微观世界中也可能是不对称的，而且对宇宙学和大统一理论有 直接的影响。克罗宁、菲奇等人的实验是在美国布鲁克海文国家实验室做的。他们利用这 个实验室的交变梯

4、度同步加速器，从加速器射出的能量为 30GeV 的质子束轰击 铍靶，轰击后产生的新粒子通过一道强磁场进行筛选，得到一束中ttK介子。中ttK介子有两种状态：瓚和K暑瑞的寿命匕虫；短几百倍。短寿命的K介子过T7m的路程就差不多者陰衰变，仅仅保留长寿命的K介子。于是，他们设计了这样的步骤：让K介子穿过长17m 的氮袋，使先衰变掉，然后再测量长寿命的K介子衰变而形成的兀介 子。测量时禾岬两套谱仪，在各谱仪每臂的电磁线圈前后者蒂火花室，以记录粒子径迹。根据n介子在电磁线圈中的偏转，可以推算n介子的能量 和动量。火花室由切连科夫计数器和闪烁计数器控制。闪烁计数器和切连科夫计 数 器 符 合 动 作 时

5、， 就 提 供 信 号 以 触 发 火 花 室 ， 并 用 照 像 记录。谱仪两臂夹角按计算要求，以使能够测到衰变为两个带电兀介子。两套谱仪同时测量到两个带电n介子的能量和动量，就可以知道这两个兀介子体系的总有效质量nA如果瑞只衰变为两个带电兀介子， n；就应该等于的质量；如杲衰变为三个兀介子，其中必有一个中 性n介子。因为两套谱仪只能测量两个n介子，第三个n介子没有测量 到，因此n/必定小于瑞的质量。这样就可以对长寿命的K介子究竟衰 变为几个兀介子作岀判断。如果C, F联合守叵瑣就应该衰变为三个带电n介子，而不能衰变为两个n介子。两个n介子衰变与三个n介子衰变 的主要区别就在于：两个n介子衰

6、变时两个n介子的总动量应与入射瓚介子共线，而三个兀介子衰变时则难以做到这点。克罗宁、菲奇等人的实验结果是：在23700起衰变事件中，有羽起衰变为两个n介子的证据。也就是说，在这些特例中，C, P联合并不守 恒。经过计算，他们得出如下的结论：衰变为两个n分子与衰变为其它模式的比 例为 0.2。经过半年核对无误,他们就在 1964 年在物理评论快上正式公布结果。第二年克罗宁和菲奇等人又进行了瑁 介子不对称的2兀衰变与瑕介子的2兀衰变的干涉实验，对诧坏作了进 一歩的验证。随后经过多年研究，证明B不守恒只有在中性K介子系统 中发生。宇称不守恒和CP对称性破坏的发现大大促进了粒子物理学的发展，对空间 的

7、观念和进一步认识，具有深远的影响。鉴于克罗宁、菲奇等人的n介子实验对 于判定CP不守恒有决定性的作用，并且CP不守恒对于认识时间对称性有重要 意义，克罗宁和菲奇于 1980年获诺贝尔物理学奖。克罗宁1931年9月29日出生于美国依利诺斯州的芝加哥市。父亲是芝加哥 大学古典语文系的学生，后来到阿拉班玛(Alabama) 所大学当拉丁文和希腊 文教授。克罗宁在中学时受到一位物理老师的鼓励，使他产生了对科学的兴趣。 老师强调不但要对实际实验采用分析方法，而且要对简单物理系统采用分析方 法。克罗宁 1951年考入芝加哥大学当研究生，这时他才开始真正受到教育。在 他的老师中有费米、爱德华泰勒(Edwar

8、d Teller)、盖尔曼等著名物理学家。他 在阿利森( S.K.Allison )指导下做博士论文，是关于实验核物理的。盖尔曼的 课程激起他对粒子物理学新领域的兴趣，因为盖尔曼就在此时发展了粒子物理学 的重要观念奇异性。1955年克罗宁获得学位后，立即参加了库尔(R.Cool) 和皮西昂尼(O.Piccioni)的小组，当时他们正在布鲁克海文宇宙线级加速器工 作。当时正值粒子物理学激动人心的年代，著名的T-0之谜导致了宇称破坏的 预言，而实验很快就证实了这一预言。在布鲁克海文发现了长寿命的 K 介子。 于是克罗宁开始作了一系列的电子学实验，以研究超子衰变中的宇称破坏。1958 年初，这台加速

9、器磁体严重损坏，他们只好把实验转移到伯克利的十亿级加速器(Bevatron )去做。他在这里认识了温策尔(W.Wenzel),从温策尔的经验里， 克罗宁认识到不要被复杂的装臵所吓倒。在布鲁克海文，克罗宁遇到了菲奇，菲 奇很欣赏克罗宁的才干，主动提出让克罗宁到普林斯顿大学工作。于是 1958年 秋克罗宁去了普林斯顿。在那里所有的实验物理研究都是按照协议由海军研究部 拨给经费。实验室主任雷诺(G.Reynolds )非常支持克罗宁独立进行工作。以后 的 10 年是克罗宁研究工作的辉煌时期。他的一项主要工作是研制火花室。他和 许多优秀的学生一起研究超子衰变。然后跟菲奇研究中性 K 介子衰变，终于在

10、1964年发现了 CP 破坏。后来，克罗宁到法国参加萨克莱(Saclay)的核子研究中心，在那里工作了 一年。他学会了法语，并用法语在法兰西学院作过演讲。 1965 年回到普林斯顿， 开始和学生们一起进行一系列实验，以研究长寿命中性K介子的中性CP破坏方 式。实验一直做到1971年。由于在芝加哥附近的费米实验室新建了一台400GeV 的加速器，克罗宁执意要返回芝加哥，到芝加哥大学当物理教授。他利用 400GeV 加速器进行在高横向动量的情况下生成粒子的实验、直接生成轻子的实验和以更 高的精确度研究中性K介子的CP破坏的参数。菲奇1923年3月10日出生于美国内布拉斯加州一处农村的畜牧场主的家庭

11、 里，母亲是一位小学教师。那里人口稀少，他父亲与苏族的印第安人建立了友谊， 父亲甚至会说印第安语。后来父亲因骑马受伤致残，只得举家迁到戈登( Gordon) 市，在那里从事保险业。菲奇就在戈登市立学校接受基础教育。第二次世界大战期间，菲奇应召入伍，被送到洛斯阿拉莫斯参加曼哈顿计划。 他在英国派遣的科学家提特通(E.Titterton)指导下工作，受益良多。当时实验 室虽小，他只不过是一名穿着军装的技工，但却亲眼目睹了众多的物理学伟人是 如何工作的。他们中有：玻尔、费米、查德威克、拉比和托尔曼(Tolman)。为 此菲奇后来曾写过一篇回忆录，刊登在原子科学家杂志上。菲奇在那里工作 了三年，学习到

12、许多实验物理技术，认识到最有成就的实验家也和自己一样非常 熟悉电子学和电子技术，但是他自己只知道如何测量各种现象，而不会像物理学 家那样去想如何利用已有的仪器，让思想自由地翱翔，并且创造做实验的新路子。战后菲奇所在的物理部的领导人巴切尔(R.Bacher )为菲奇找到了一个研究 生助教的职位，这时菲奇尚未完成本科学业。他到麦克吉尔(McGill )大学补完 功课后，又到哥伦比亚大学当研究生。他在雷恩沃特(J.Rainwater)指导下做博 士论文。有一天，菲奇到雷恩沃特的办公室，阿格玻尔正在那里和雷恩沃特谈 话，雷恩沃特见到菲奇，立即递给他一份惠勒(J.Wheeler)的预印本，是讨论卩 子原

13、子的，并向菲奇指出，这类原子系统也许是很好的题目。菲奇大受启发。此 时实验技术也大大发展了。哥伦比亚的纳维斯(Nevis)回旋加速器正待运行。 从加速器发出的卩子束可以根据射程加以区别。霍夫斯塔特的实验表明掺铊的碘 化钠可以做成极好的闪烁计数器和y射线能谱仪。RCA公司刚刚生产出新的光 电管，很适于配合碘化钠晶体把闪烁信号转变为电信号。Y射线谱仪的其它组成 部件还有多道脉冲高度分析仪，菲奇根据他在洛斯阿拉莫斯的经验设计成功并在 技师的配合下做出了这台仪器。也的博士论文就成了第一次观测到卩子原子的重 要文献。有趣的是，他们差一点失去了发现的机会。惠勒计算Pb中的2p-ls转 变能量是根据核半径按

14、公式R=1.4Al/3古算的，得到4.5MeV。于是他们把能谱 调到这一能区。经过多次失败后，雷恩沃特建议他们把能区扩大些，结果在 6MeV 处出现了峰值（不是4.5MeV）。这样一来，他们又得到了一个重要成果，就是改 进了原子核的计算公式，原子核的半径比其它途径推出的要小。不久霍夫斯塔特 从其电子散射实验也得到同样的结果。卩子原子的测量极其精确地给出原子的平 均半径，而电子散射的结果则可得到电荷分布的多种矩值，两者结合就可以给出 最佳信息。后来，菲奇的兴趣转向奇异粒子和K介子。他花了几乎20年的时间用于研 究K介子，其中最重要的成果就是在1964年与克罗宁一道发现了 CP破坏。布鲁克海文宇宙级加速器Cosmotron,是1952年新建成的3GeV加速器，现已关闭。