歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1959

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撰文者:爾諾
發文日期:2021-08-24
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  • 1959年的諾貝爾獎頒給了來自義大利的美籍物理學家埃米利奧·吉諾·塞格雷 (Emilio Gino Segrè,1905年1月30日-1989年4月22日)與美國物學家歐文·張伯倫(Owen Chamberlain,1920年7月10日 - 2006年2月28日)。兩人雖然相差十五歲,不過指導教授都是費米。兩人都曾參與曼哈頓計畫,並在1955 年一起利用伯克萊的Bevatron 加速器發現了反質子,四年後就得到了諾貝爾獎的肯定。

     
    Segre
    Emilio Gino Segrè
    (圖片來源:維基百科)


    塞格雷出生於羅馬附近的 Tivoli,1927 年在羅馬大學學習工程, 1927 年轉攻物理學。他在費米的指導下學習,於1928 年 7 月就獲得了桂冠學位。1932 年被任命為羅馬大學物理學助理教授,並在那裡工作到 1936 年。從 1936 年到 1938 年,塞格雷擔任巴勒莫大學物理實驗室主任。 1936 年,他在參觀了歐內斯特·勞倫斯的伯克萊輻射實驗室後,他向勞倫斯要一些迴旋加速器上帶有放射性的廢棄零件。於是勞倫斯寄給他了一些曾用做迴旋加速器偏向板的鉬箔。塞格雷用化學方法證明鉬箔的放射性來源於一種原子序數為43的新元素,鎝。巴勒莫大學當局希望他們把新元素以巴勒莫的拉丁文名稱Panormus命名為 「panormium」,但是在1947年,塞格雷卻根據希臘語τεχνητός命名為鎝,意為「人造」。因為當時他以為這個元素不存在於大自然。然而在1952年,美國天文學家Paul Willard Merrill在S-型紅巨星的光譜中觀察到了鎝的發射譜綫。這些星體的年齡是鎝最長壽同位素半衰期的幾千倍。這意味著這些鎝是透過星球內部的核反應所形成的。現在我們知道地殼中僅含有極微量天然鎝,是鈾礦自發裂變的產物。據估計,一公斤鈾礦含有一奈克鎝。


    1938 年,墨索里尼的法西斯政府通過了禁止猶太人擔任大學職位的反猶太法律。作為猶太人,正在加州伯克萊輻射實驗室訪問的塞格雷頓時成了一個失業的難民。勞倫斯臨時提供他研究助理的工作。在伯克萊,塞格雷利用迴旋在迴旋加速器中對鉍-209進行α粒子撞擊來合成原子序85的砈元素,他還幫助發現了同位素鈽239,它後來被用來製造投在長崎的核彈。從 1943 年到 1946 年,他擔任曼哈頓計劃的組長。1944年,他成為美國歸化公民。 1946 年他返回伯克萊,成為物理學和科學史教授,任職至 1972 年。


    而另一位得主張伯倫,出生於舊金山,他在1942 年加入曼哈頓計劃,在那裡他與塞格雷一起在伯克萊和新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯實驗室工作。 1946 年,張伯倫在物理學家費米的指導下繼續在芝加哥大學攻讀博士學位。 費米鼓勵他離開理論物理學轉向實驗物理學,1948 年,在完成實驗工作後,張伯倫回到伯克萊任教。 在那裡,他、塞格雷和其他物理學家研究了質子-質子散射。 1949 年張伯倫獲得芝加哥大學博士學位。
    Owen_Chamberlain

    Owen Chamberlain

    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1959/chamberlain-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6151318

    反質子為什麼重要呢?因為根據量子場理論的基礎--CPT對稱理論定理,每個粒子都有各自的反粒子,其質量、自旋與該粒子相同,但其電荷及磁矩則與該粒子相反。電子的反粒子,正子在1932年被發現,但是其他粒子的反粒子還沒有被發現。雖然依據理論,反質子本身與質子一樣都應該是穩定的粒子,但是由於實驗儀器周遭的環境都是質子,而反質子與質子撞擊會彼此湮滅,所以反粒子無法在一般的自然環境中保存。 在自然界中的壽命極短。所以要產生反質子並研究它的性質,就變成相當不容易的挑戰。


    塞格雷和張伯倫以同步加速器把質子加速至達26GeV量的水平,然後與金屬銅撞擊,其能量足夠產生反質子,撞擊後的產物再用磁鐵將帶正電與負電的粒子依不同的荷質比導入不同的區域,然後再測量它的磁矩。


    Bevatron在 塞格雷的帶領下,分為兩個實驗組。 張伯倫 和 Clyde Wiegand 將嘗試通過確定質子撞擊固定目標產生的粒子的質量和電荷來識別反質子。 第二個小組由伯克萊的 Gerson Goldhaber 和意大利的 Edoardo Amaldi 領導,他們將記錄感光乳劑上的碰撞,並尋找質子 - 反質子湮滅所預期的能量爆發。隔年布魯斯·科克 (Bruce Cork) 於 1956 年在 Bevatron加速器的質子-質子碰撞中發現了反中子。塞格雷與張伯倫二人於1959年因發現反質子而獲得諾貝爾物理學獎。


    1974 年,塞格雷回到羅馬大學擔任教授,但僅任職一年就達到了強制性退休年齡。 塞格雷在他位於拉斐特的家附近散步時死於心臟病,享年 84 歲。 作為一名活躍的攝影師,塞格雷拍攝了許多照片,記錄了現代科學史上的事件和人物。


    張伯倫後來的研究工作包括時間投影室(TPC),以及在斯丹佛直線加速器中心(SLAC)的工作。張伯倫於 1985 年被診斷出患有帕金森病,並於 1989 年退休。他於 2006 年 2 月 28 日在伯克利萊於該病的併發症,享年 85 歲。

    反質子的研究在今天依然在粒子物理中扮演重要的角色。反質子可以於宇宙射線中被偵測到,目前普遍認為是宇宙射線中的高速正質子與星際間的原子核相互撞擊所產生的反質子遂散布於宇宙中,並受到星際磁場的束縛。此外也有為了偵測宇宙射線以及反物質的太空任務,例如2006年發射的搭載於人造衛星上的PAMELA偵測模組(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)。在德國GSI還有一組實驗組專門以反質子束為主要的實驗工具呢。


    除此之外,反質子也是測試CPT對稱性的重要工具。日內瓦歐洲核子研究中心實驗室 Walter Oelert 領導的一組研究人員在 1995 年生產了第一個反氫原子。該實驗在 LEAR 中進行,在那裡,粒子加速器中產生的反質子被射向氙群 . 當反質子靠近氙原子核時,會產生正電子對,並且有一定的概率正電子會被反質子捕獲形成反氫。 由一個反質子產生反氫的概率僅為 10−19 左右。大多數反氫原子的精確測試只有在反氫原子被捕獲時才能進行,這意味著長時間保持在原位。 雖然反氫原子是電中性的,但它們的自旋會產生磁矩。測量結果與理論一致!

    2010 年 11 月,ALPHA實驗組宣布他們在大約六分之一秒內捕獲了 38 個反氫原子。這是第一次捕獲中性反物質。2015年,STAR研究團隊發表論文報告,已成功測量反質子與反質子之間的強作用力,其與質子彼此之間的強作用相同。這些成就都要歸功給塞格雷的Bevatron 團隊!


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