伯頓·里希特(Burton Richter) — 基本粒子領域內卓有成效的探索者

伯頓·里希特(Burton Richter,1931-)1931年3月22 日出生於美國紐約的布魯克林,他從小就酷愛學習,成績一直優秀。童年時他就曾被放大鏡和顯微鏡的特殊性能迷住了,並在自家的地下室里建起了一個饒有興趣的簡易化學實驗室。只要稍有空閒時間,他就一頭鑽了進去半天不出來。後來他曾回憶說,由於小時候的特殊愛好,使他閱讀了不少物理和化學方面的書籍,也促使了他在中學時代酷愛物理學,並下決心要考取理科專業。14歲那年,里希特順利考入麻省理工學院。大學一年級,他開始專攻物理。二年級,他在弗朗西斯·畢特領導的磁學實驗室工作。上了高年級後,他把自己的論文選題定為「氫的二次齊曼效應」。與此同時,他開始對迴旋加速器的興趣越來越濃。之後,他曾到布魯克海文的實驗室實習了幾個月,初步體驗了一下現代粒子物理學研究的生活。返回麻省理工學院之後,在路易斯·奧斯本的指導下完成了他的學位論文,獲得了博士學位。

大學畢業後的里希特一直對物質的內在結構,有著強烈的探求願望。1956年,他獲得了一個在史丹佛擔任研究助理的職位,這給了他繼續從事自己感興趣的課題研究的機會。里希特很快開始使用IGeV史丹佛直線粒子加速器做電子散射的實驗。從那以後,他對物理學尤其對物質最小結構——粒子世界的未來的解剖,充滿了必勝的信心。在工作期間,他潛心研究物質及能的變化,重視基礎理論的學習,不走急功近利的捷徑。

學識淵博、才智超人的里希特,時常能提出與眾不同的科學設想,並勇敢而穩重地帶領大家去探索。在他的倡導下,一個大型科研實驗小組終於建立起來,並花費幾年的時間設計建成了電子加速存貯環。用這種儀器可以試驗粒子的相互碰撞,從中發現某種奇異現象。60年代,他又設計並建成了史丹佛正電子負電子加速器,通過這種能量高達十億電子伏的大型高能實驗裝置的作用,可以探測到重型的、靜止不動和非常穩定的粒子。而這種大而重的粒子,有著比人們預計的要長1千倍的壽命。

建造高能加速器不僅需要具有雄厚的工業基礎,而且還要有各種先進的科學技術來配合,如無線電、微波、真空、計算機等方面的技術,還有機械加工、自動控制、精密加工和低溫超導等工業及材料等方面的科學技術,其中任何一項都關係到加速器能否研製成功。里希特對實驗設備的建設非常重視,為此他花費了大量的心血和時間。實踐證明實驗手段的先進性,一定同前沿科學研究的成功密切相關。在這方面,里希特所領導的實驗小組,為同仁和後人提供了極為寶貴的科學性經驗。因此,里希特及其實驗小組也獲取了科學研究的巨大成果,在探測新粒子方面取得了驗證人們預見的令人矚目的成就,從而把對物質基本粒子的研究推進到嶄新的階段。

1974年底,里希特實驗小組在進行第二輪正負電子對撞試驗時,發現了一種令人奇怪的現象,即在R值對能量的依賴關係的曲線上,當能量在E=3.095GeV(10億電子伏)和E=3.68GeV時出現了兩個尖銳的高峰,也稱為「雙峰突起」。而這兩個峰的寬度比原先估計的要小約1千倍。根據以往科學研究的結果證明,這種奇特現象說明瞭兩個新的奇怪的粒子的出現。里希特小組把這兩個新粒子命名為平和幹粒子。

幾乎與此同時,在美國東部海岸的布魯克海文,美籍華人丁肇中科研小組也發現在曲線的3.1GeV處有峰值,證明也是新粒子的作用,並把所發現的粒子命名為J粒子。所以從時間上推測,里希特所發現的平粒子與丁肇中所發現的J粒子屬同一新粒子,可以算作是物理學界的雙峰突起。

國際科學界為了表彰里希特和丁肇中的傑出功績,把這種新粒子重新命名為平/J粒子。1976年,諾貝爾科學評獎委員會正確估價了里希特和丁肇中在這方面的重大貢獻,同時向他倆頒發諾貝爾物理學獎。這樣在物理學的某一項重大貢獻,幾乎出於同一時間,相當罕見。而從發現成果到獲得諾貝爾獎僅相隔兩年,這在科學界更屬罕見。

里希特在物理學上的這一重大貢獻,對於科學革命具有重大意義。當時,諾貝爾獎金一位評委曾把這一成就稱為「在基本粒子領域從來沒有過的最偉大的發現。」他說:「這一發現的意義就在於通過對它的最小組成部分獲得更清楚的瞭解,我們對天地萬物的結構,知道得就更多些了」;美國《華盛頓郵報》當時評論說:「平或J粒子的發現,對高能物理學家來說,正是把原來含糊不清的問題一下子弄明白了」;瑞典皇家科學院當時也評論說:「新的/J粒子是獨特的,它本身就構成了認識一個新的家族的開始······」。由於平/J粒子的發現,使得先前的理論得到了驗證,因此該發現意義重大。微觀物理學界普遍認為,由於平/J粒子的發現,第四種層子—粲層子毫無疑問肯定存在。同時人們充分認識到,這裡不僅僅是一種粒子得到發現,實際上是為微觀物理學界探測到了前所未知的一大類新類子的廣闊天地。

里希特科研小組在獲得發現平粒子的重大成果後並沒有就此沾沾自喜,停步不前,而是繼續毫不鬆懈地進行實驗觀察。在第一個共振峰被發現後的不久,他們又在正負電子對撞機上的從3.6到4.6GeV區域搜集到了更多的R值數據。經過認真綜合分析,他們再次發現於曲線的3.772GeV處又存在著一個新的共振峰,這就是'下(3772),一般認為'也是粲偶素的新成員。後來經過一段時間觀測,新多新的與此相關的粒子又陸續被發現,一共達二十多種,形成了一個マ/J粒子家族。至此,全世界的物理學界終於都公認了一/J新粒子的存在,以及認識到它的被發現將極大地推動微觀物理學發展的重大意義。

自然界是無窮無盡的,人們對它的認識也將是無止無境的。P/J粒子發現後不滿三年,即到1977年,美國科學家勒德曼宣布,他們在測量R值對能量的依賴關係的曲線時,在9.5 Ge.V附近又發現了一種新類型的共振子,它的質量比F/J粒子還要重三倍,被標名為r(宇普西隆粒子)。經過進一步實驗和分析表明,這個類子是由另外一對新層子組成的介子······層子究竟還有多少呢?有的科學家提出理論認為,無須給它規定一個極限,因為那樣作是無任何意義的。科學界很多人認為,至少還有第六種層子存在,可以叫它為「頂」層子,或者叫作「真理」層子,標名為t。當前,還有相當多的科學家認為,在強子內部除了層子,還有膠子,它的作用是把層子粘合在一起。很顯然,如果我們把已經探明和即將探明的物質的微觀世界的客觀規律合理地貫穿起來,我們將可以獲得一幅與前不同的嶄新的而且比較完整的關於物質結構的物理圖像。

綜上我們不難看出,里希特和丁肇中等著名物理學家,在發現新粒子方面所取得的巨大成就,的確為探索物質內部結構的奧秘、為觀察物質的微觀世界開闢出一條道路。因此可以說,他們在這方面似乎起到了拋磚引玉的作用,所以他們獲得諾貝爾物理學獎顯然當之無愧。

里希特於1960年與勞羅斯·貝克爾結為伉儷,他們有一個兒子和一個女兒,生活得美滿幸福。里希特平時性格開朗、對人和氣友善。他在閒下的不多的業餘時間裡,抽空參加音樂演奏會,欣賞美妙的樂曲,尤其是他特別喜歡觀看歌劇表演,認為歌劇是把音樂與舞蹈結合起來的最好形式。他博覽群書,特別對歷史和傳記文學更為偏愛。平時他很注意身體鍛鍊,會滑雪、玩橡皮球等,有時一個人或全家到戶外進行長途步行。

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