【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】丁肇中院士介绍

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  • 日期(2020-06-12)
【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹 【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】丁肇中院士介绍

照片为丁院士提供,请勿任意转载。

丁肇中教授 1936 年出生于美国密西根州的安娜堡 (Ann Arbor) 。他的父母为研究工程学的丁观海教授和专攻心理学的王隽英教授,当时都在密西根大学访问。他们全家回到了中国后,由于当时正逢抗日战争,生活很不稳定,因此并未接受完整的教育。直到十二岁来台,丁肇中才开始进入正规教育体系。他先后就读竹南国小,台中大同国小,成功中学,建国中学,以及成功大学。在成大只待了一年,便只身前往美国,进入密西根大学,于 1959 获得物理与数学学士学位,1960 及 1962 年分别获得物理硕士和博士学位。

1963 年丁肇中获得福特基金会的资助,在欧洲核子物理中心(CERN)进行粒子物理实验。1965年他回到美国,在哥伦比亚大学担任助理教授。这个期间他开始对量子电动力学的相关试验感到兴趣,尤其对哈佛和康乃尔团队的一个实验结果特别关注。该实验测量高能光子撞击碳靶后产生的正负电子对,发现结果与量子电动力学的预测不符。1966 年丁肇中离开哥伦比亚大学,转往德国电子同步加速器中心(DESY),他设计了一套灵敏的仪器,利用 DESY 的高能光子束重做这个测量,他的结果显示哈佛/康乃尔的实验不正确,量子电动力学并没有错误。

丁肇中于 1969 年获聘为麻省理工学院教授,并于 1977 年获选为 Thomas Dudley Cabot 讲座教授。这个期间,他持续对量子电动力学感到兴趣,并进行了一系列的实验,利用光子在原子核附近产生正负电子对,以研究短距离下的电磁作用力。同时他也运用类似的方法研究重光子(与光子类似,但是带有质量的粒子)的性质。这个历程让他熟悉了如何处理高亮度的实验,能在超过一亿倍的强子背景中正确的找到正负电子对,并精确测量它们的动量和不变质量。这项技术是发现 J 粒子的关键。

当时已观测到的重光子共有三种,质量分别是 0.760, 0.783, 和 1.0195 GeV(10 亿电子伏特)。丁肇中自述:“It is inconceivable to me that there should be only three of them, and all with a mass around 1 GeV” (我无法想像只有三种重光子,质量都在 1GeV 左右)。1971 年起,丁肇中和他的团队成员开始构思一个大型的实验,以寻找质量更高的重光子。他们选择用高能质子撞击铍靶来产生重光子,并侦测重光子衰变后的正负电子对。这个实验于 1973-1974 年间进行,最后发现了一个质量为 3.1GeV 的重光子,丁肇中将它命名为 J 粒子。J 粒子的发现整合了当时相当混乱的粒子物理理论,被称作「11 月革命」。很快的,丁肇中于 1976 年获得诺贝尔奖,表彰他的这项重要工作。

1975 年德国同步电子加速中心(DESY)开始建造当时世界上能量最高的正负电子对撞机 PETRA,并公开徵求实验方案。丁肇中和他的团队提出了 Mark-J 实验的构想,并获选为 PETRA 上的四个实验之一。Mark-J 在 1978 年开始运行,随即在 1979 年发现了强子的三喷流事例,是为胶子存在的证据。胶子是传播强作用力(原子核间的作用力)的媒介,是标準模型的重要一环。在随后的几年内,Mark-J 实验研究 QCD 和 QED 的各种性质,特别是胶子有关的物理。这些结果对于建构粒子物理的标準模型有很大的作用。

在 Mark-J 的后期,CERN 开始构想一个新的高能正负电子对撞机,称为 LEP。其目的是研究标準模型所预测的 W 和 Z 粒子。这两种粒子是传递弱作用的媒介。整个计画在 1981 年启动。丁肇中针对 LEP,提出了 L3 实验构想,并顺利被选为四个大型实验之一。L3 实验经过近 10 年的建造期,于 1989 年与 LEP 同步完成,开始收集数据。L3 的物理结果涵盖标準模型的各个面向,基本上验证了标準模型所有的物理预测。1989 到 1995 年间,L3 精确测量了 Z 粒子的特性,得出微中子只有三种的明确证据。1996 至 2000 年间,LEP 的能量逐步增高,L3 实验测量 W 粒子的性质。这些实验成果,让标準模型有了一个非常稳固的基础。另外值得一提的是,L3 和其他三个 LEP 的实验,透过对 Z 粒子的精确测量,间接的推导出希格斯粒子的质量最可能在 100GeV 附近。20 年后,LHC 果然在 125GeV 处发现这个粒子。

L3 实验后期,丁肇中开始寻找下一个实验的可能性。其中之一是美国于 1990 年代提出的超导超级对撞机(SSC)。他提出一个在 SSC 上的大型实验计画,称为 L*。这个实验计画为 SSC 所接受,成为两个主要的实验计画之一,但是尚未开始建造,就因为政治因素而被取消。过了几年,SSC 整个计画因管理不善而被美国政府终止。这时丁肇中已经将目光转向宇宙射线。大自然提供大量的高能宇宙射线,是研究基本粒子物理非常好的工具。然而,宇宙射线被大气层阻隔,必须将探测器放在大气层之外,才能有效的运用。因此,宇宙射线被发现后的 100 年来,大气层外一直没有一个大型而精确的宇宙射线探测器。1994 年开始,丁肇中设计了一个放在国际太空站上的粒子物理探测器,称为 AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)。

为了能在太空运行,AMS 的仪器需求超过当时技术所及,因此所有的探测元件与电子系统都由团队自行设计。1998 年 AMS 的原型机(称为 AMS-01)由发现号太空梭载运,在太空运行 12 天,验证了大型磁谱仪在太空运行的可行性。随后用了十二年的时间建造完整的 AMS 探测器(AMS-02),于 2011 年 5 月发射至国际太空站,随即开始收集宇宙射线数据。AMS-02每年纪录约一百六十亿个宇宙射线事例,实验结果大幅提高人类对宇宙射线的了解,也对反物质和暗物质的研究提出全新的数据。AMS 预期将运行至 2025 年以后(太空站的年限),会发现什幺新现象,物理界拭目以待。

丁肇中研究成果斐然,获奖无数。除了诺贝尔奖外,他获得美国的劳伦斯奖、Eringen 奖(1977),义大利的 De Gasperi 奖(1986)、Golden Leopard 奖、Gold Medal of Science,以及美国太空总署颁发的公共服务奖。他是美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士,中央研究院院士,以及许多国家的科学院院士。他也获颁许多大学的荣誉学位。

丁夫人苏珊.马克斯.丁女士也任职麻省理工学院,长期处理丁院士实验相关的行政问题,是研究团队的重心之一。丁肇中有二女一男,共三名子女。


参考文献