中国物理学家参加Mark-J实验与胶子的发现

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强子是具有强相互作用的基本粒子，包括质子、中子和介子等粒子。强子是由夸克组成的，例如质子和中子包括3个夸克，p介子和K介子是由2个夸克组成的。1972年，盖尔曼和弗里奇提出了强相互作用的理论——量子色动力学。理论预言的胶子（gluon）是一种负责传递强核力的玻色子，把夸克“捆绑”在一起，使之形成质子、中子及其他强子。

此后，物理学家一直希望在实验中观察到胶子的存在，但由于强相互作用的复杂特点，一直未能发现。直到1979年Mark-J 实验发现了“三喷注”的现象，并且确认了它们是来源于胶子的发射。

今年9月3日，是诺贝尔物理学奖获得者丁肇中先生领导的Mark-J实验组发现胶子40周年。作为粒子物理学历史上一个重大科学发现的亲历者，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所前所长陈和生回顾了这一历史时刻。

 参加Mark-J 实验 

▲1977年8月17日，邓小平同志会见丁肇中教授和夫人及其女儿

1977年8月17日，邓小平同志复出不久，会见了诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授，亲自商定派遣中国物理学家到德国汉堡丁肇中领导的实验组去参加粒子物理实验，培养高能物理实验研究的人才。

▲首批赴丁肇中实验组参加Mark-J实验的十位科研人员与实验室秘书合影（右一为唐孝威）

1978年1月，唐孝威教授领导的中国物理学家团队到达德国汉堡DESY（德意志同步加速器中心），参加丁肇中在PETRA正负电子对撞机上的Mark-J 实验。这是中国科学技术对外开放的一个重要里程碑。此后，大批中国访问学者和留学生开始到西欧、日本和美国等西方发达国家学习，对中国科学技术的改革开放产生了深远的影响。

▲1978年11月，陈和生（前排右二）赴德前在中科院高能所参加培训班

1979年4月，第二批15位中国研究生也来到了丁肇中实验组工作和学习。

在德国汉堡，中国物理学家参加了 Mark-J探测器的设计和研制，做出了重大的贡献。PETRA 正式投入运行后，中国科学家参加了实验运行值班、探测器维护改进和数据分析等工作。

 揭开胶子之谜 

强相互作用是自然界的四种相互作用之一。强子是具有强相互作用的基本粒子，包括质子、中子和介子等粒子。强子是由物质微观结构更深一层次的粒子——夸克组成。质子和中子包括3个夸克，p介子和K介子包括2个夸克。1972年，盖尔曼和弗里奇提出了强相互作用的理论—量子色动力学。这个理论预言胶子（gluon）是一种负责传递强相互作用的玻色子。胶子把夸克“捆绑”在一起，使之形成质子、中子及其他强子。从上世纪七十年代初，物理学家一直希望在实验中观察到胶子的存在，但由于强相互作用的复杂特点，一直未能发现。

在1979年的8月，Mark-J 实验发现了“三喷注”的现象，并且确认了它们是来源于胶子的发射。这是40年前，中国科学家在改革开放后首次参与的高能物理重大国际合作，从而分享了在实验上首次发现夸克间强相互作用的载体——胶子——这一重大科学发现。 

1979年8月，在美国的费米实验室举行的国际轻子光子研讨会开幕式上，纽曼教授代表Mark-J实验组报告了Mark-J实验发现胶子喷注方面的重大物理成果【1】。

报告中所述该发现的关键是：

（1）将Mark-J实验数据与对胶子-韧致辐射的QCD预测进行比较；

（2）排除其他模型，包括夸克-反夸克碎裂和重夸克衰变，而这些模型在当时并没有很好地理解。 

在高能正负电子对撞中，正负电子通常变成为一对背靠背的高速的“喷注”（jet），即两喷注事例，每个喷注都是一组运动方向非常接近的高速粒子。实验上发现胶子喷注的关键是寻找具有第三个喷注的事例。第三个喷注可能是辐射产生的胶子形成的。但是这个过程也可能来自于重味夸克的弱衰变和碎裂产生的“三喷注”事例等过程产生的本底。单个三喷注事例不能用以证明胶子喷注的存在。

到了1979年春天，很明显，单个事例不能单独用于确定“三喷注”事件中胶子喷注的存在。确定胶子喷注信号所需的是分离出一个具有统计意义的平面事例样本，并在考虑可能的本底影响之后，与QCD预言的夸克、反夸克、胶子的产生率和形状进行定量对比。为了证明在高能量下观测到的“三喷注”事例只可能来自辐射胶子，该结论必须依赖一个对本底细节不敏感的分析，如在碎裂化过程中粒子相对于喷注轴的横向动量，和用来描述重味夸克的碎裂化函数。

 国际高能物理界高度评价 

1979年9月，Mark-J实验在《物理评论快报》发表了发现胶子的结果【3】，得到了国际高能物理界的高度评价。

1979年9月2日，《纽约时报》发表评论说：“这是一次关于核粒子方面的国际集体研究工作。重要的贡献来自中国。有27名中国科学家参加了具有关键性的实验。总共大约有300多名来自许多国家的物理学家在四个相互关联的实验中联合进行他们的研究。”

在1979年国际轻子光子研讨会后不久，当时担任DESY实验室所长的赫维格·肖珀教授在一个研讨会上回顾了PETRA 正负电子对撞机实验的所有证据【4】。他写到，纽曼在国际轻子光子研讨会上所展示的分析，测试了数据与胶子的相容性，排除了夸克-反夸克模型的来源：“在这里，人们以非常令人信服的方式注意到Mark-J的实验数据与辐射胶子假设的一致性，从而排除了夸克反夸克模型的版本”，“Mark-J第一个从统计意义上发现了“三喷注”模式”。在1980年2月的《今日物理学》杂志上强调【5】：“……肖珀告诉我们，Mark-J实验第一个在显著的统计学意义上报道了QCD预测的“三喷注”模式实验证据。”

▲1988年5月，时任DESY所长的赫维格·肖珀教授（左四）访问高能所，参观北京谱仪控制室。（左二为丁肇中，左三为时任高能所所长叶铭汉，左五为陈和生）

物理学界认为胶子的发现是粒子物理学中的关键发现之一。1995年纽曼教授和陈和生代表Mark-J实验组，到比利时布鲁塞尔的欧洲物理学会高能物理大会上接受了欧洲物理学会授予发现胶子的特别奖。

  参考文献  

[1] H. Newman, “The First Year of Mark-J at PETRA”, in T.B.W. Kirk and H.D.I. Arbabanel (Editors), Proceedings of the 1979 Lepton Photon international Symposium, 1979, Fermilab,    Batavia, p 3. http://inspirehep.net/record/158846

[2] A. DeRujula, J. Ellis, E.G. Floratos and M.K. Gaillard, Nucl. Phys. B138 (1978) 387. 

[3] “Discovery of Three Jet Events and a Test of Quantum Chromodynamics at PETRA”,  Mark-J Collaboration, D. P. Barber et al., Phys. Rev. Lett. 43, 830 - 833 (1979).

[4] H. Schopper, “New Results in e+e- Annihilation from PETRA”, 10th Int’l Symposium  of Multiparticle Dynamics, Goa, Sept. 1979; DESY Report 79/79, Dec. 1979. 

[5] G. Lubkin, “Evidence from PETRA adds support for QCD and gluons”, Physics Today, Vol. 33, No. 2, February 1980, 17-19.            https://physicstoday.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.2913931