發現自然之美：諾貝爾物理獎1976

1976年的諾貝爾獎頒給在1974年發現J/ψ介子的兩個團隊的領隊，他們分別是SLAC國家加速器實驗室團隊的伯頓·里克特（Burton Richter，1931年3月22日－2018年7月18日）以及布魯克黑文國家實驗室團隊的丁肇中(Samuel C. C. Ting，1936年1月27日－）。得獎的發現與得獎之間只隔了兩年，除了發現宇稱不守恆以外，鮮有這麼短的間隔，可見發現J/ψ介子這件事對整個物理界的意義重大。因為這是第一個證明夸克存在的確切證據。所以當兩個團隊幾乎同時發現J/ψ介子時，甚至被稱為粒子物理學上的「十一月革命」，其重要性由此可以想見。

伯頓·里克特 Burton Richter 圖片來源	丁肇中 Samuel C. C. Ting 圖片來源

雖然早在六零年代早期，理論物理學家就從新近發現的各種新粒子所展現的對稱性推測這些粒子是由一種實驗室無法直接探測到的基本粒子「夸克」所組成。在1960年代發表的第一代夸克理論中，質子、中子、所有其它重子以及所有介子都是由三種被稱為夸克所組成。這三種夸克分別是上夸克(up quark)、下夸克(down quark)和奇異夸克(strange quark)。雖然這個理論能夠把當時存在的眾多粒子歸結為全部是由這三種夸克組成，當時大部分的物理學家認為這個理論只是數學理論，它們體現了更深的物理原理，但是夸克未必真的存在，因為上夸克的電荷是基本電荷的2/3，而下夸克與奇異夸克帶著-1/3基本電荷，然而實驗室從來沒有看到它們的蹤跡。

有趣的是，從1969年開始在史丹佛國家加速器實驗室進行的深度非彈性散射，也就是將電子將靶(最早是質子)撞碎的實驗，它提供了質子是由更微小的粒子組成的跡象。當時還不清楚這些粒子是否是夸克，只知道其自旋為1/2，是費米子。當時被稱為部分子(parton)。此後眾多實驗逐漸地揭露了部分子的特徵，與先前理論物理學家所預測的夸克的確相符。

事實上，隨著電弱統一理論逐漸成熟，強子的弱作用也在夸克模型的架構下被研究。 1967年，史蒂文·溫伯格和阿卜杜勒·薩拉姆將電弱統一理論建立在了楊-米爾斯場論的基礎之上，將希格斯機制引入格拉肖的弱電理論，從而得到了一個完美而自洽的理論，形成我們現在看到它的形式。希格斯機制被普遍的認為能夠解釋粒子的質量來源，包括W及Z玻色子、費米子（夸克、輕子和重子）。但是由於史蒂文·溫伯格和阿卜杜勒·薩拉姆尚無法證明他們的理論可以再重整化，也就是能處理迴圈圖的發散，所以物理界並沒有普遍接受。值到當時還在念博士班的傑拉德·特·胡夫特在1971年證明了帶有自發對稱性破缺的規範場論可以被重整化後，這個理論才被用來解釋各種粒子物理現象。1973年發現的W及Z玻色子是溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆理論的一大勝利。另一方面，Harald Fritzsch 與Heinrich Leutwyler, 以及蓋爾曼等人在1973年寫下夸克的非交換規範場論來描寫夸克之間的作用力，也就是組成強子的強作用力，這個理論被稱為量子色動力學(Quantum Chromodynmaics, QCD)，就在這一年量子色動力學被證明擁有漸進自由的特徵，就是夸克與傳遞強作用力的規範粒子，膠子的耦合係數會隨著傳遞的動量平方遞增而遞減，這可以說明在深度非彈性碰撞時，部分子的行為像是自由粒子。但是夸克存在的直接證據依然付之闕如。

當時的粒子物理雖然到了萬事俱備，只欠東風的階段，但是電弱理論和夸克模型結合到一起卻還有一個謎團未解，那就是所謂FCNC的問題。在電弱理論中奇異夸克會與中性Z玻色子耦合轉變成為下夸克。由於「風味」從奇異夸克轉變成為下夸克，而兩者的電荷都是基本電荷的-1/3，所以被稱為「風味改變但電荷不變」的過程(Flavour-Changing-Neutral-Current)。但是這樣的衰變卻沒有被觀察過。

1970年由謝爾頓· 格拉蕭(Sheldon Glashow，1932), 、約翰·艾利奧普勒斯(John Iliopoulos , 1940-)和魯茨阿諾·麥阿尼(Luciano Maiani, 1941)提議說，假如還有第四種夸克存在的話，那麼奇異夸克和下夸克之間的中性弱作用流會消失。當然，透過高階的圈圖，FCNC仍然會出現，但是會變成非成微弱。如果存在新的種類的夸克的話，它的質量應該比當時已知的夸克來得重，否則應該早就被發現了。這個假設的夸克被稱為魅夸克(charm quark)。

當時夸克模型認定上夸克與其反夸克，與下夸克與其反夸克構成了中性π介子，而奇異夸克與其反夸克構成φ介子，但是由於上，下，奇異夸克的質量都很輕，在量子色動力學的架構下，難以計算它們與相應反夸克形成束縛態的質量，如果魅夸克質量夠大的話，不僅夠算出它的質量，還能進一步算出它眾多激發態的質量。1974年夏這篇有人預測魅夸克和反魅夸克有可能組成介子。但是這些預測沒有受到足夠的重視。

當時丁肇中帶領MIT團隊在布魯克黑文國家實驗室從事質子與質子碰撞的實驗。當時他們的實驗目的主要是探索新的能量領域，主要的對象是由上，下與奇異夸克構成的向量介子。但是他們發現了在質量3.1 GeV處出現不尋常的跡象，很可能是前所未知的新粒子。但是力求準確的丁肇中並沒有匆促發表。而在美國西岸由伯頓·里克特帶領的團隊在史丹福正負電子粒子加速器很快就發現在3.1 GeV處的確有新粒子的蹤跡。

由於J/ψ介子幾乎是同時被發現的，因此它是所有基本粒子中唯一由兩個字母作為名稱的粒子。里克特把它稱為Psi(希臘字母 ψ)。丁肇中則選擇了J。由於科學社群覺得無論採用任一方命名的名稱，都對另一方發現者的命名權不公平，因此大多數此後的論文都把這個粒子並列稱之為J/ψ介子。

J/ψ介子的第一激發態被寫作ψ'，有時也被寫作ψ（2S）或者按照其兆電子伏特質量寫作ψ（3686）。由於里克特的實驗組當時就發現了四個激發態，因此一般在描述激發態的時候單單寫成ψ而不並列J。

里克特是紐約市人，他出身於紐約布魯克林區的一個猶太家庭，里克特就讀麻薩諸塞理工學院深造，在1956年獲得博士學位。而丁肇中則是於1936年出生在美國密西根州的安娜堡，他的父母當時在美國進行學術訪問。1949年，丁肇中全家輾轉遷入臺灣，於1956年9月，丁肇中進入美國密西根大學，1962年獲得物理博士學位。1966年開始，丁肇中領導的實驗小組進行了一連串關於量子電動力學和向量介子 (vector meson) 的實驗工作。他們的發現標示著粒子物理黃金時代的來臨。

里克特於2018年在加州過世，享壽八十七。丁肇中則至今依舊活躍在科學界。在他們之後，科學家陸續發現第五種與第六種夸克。但是都沒有得到諾貝爾獎的肯定。這是因為發現魅夸克的時機與意義與眾不同之故。與電弱作用相關的人在往後二，三十年後也陸續得到諾貝爾獎的肯定，我們將依照年份，一一介紹。