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奇異性和「八重道」-《上帝的粒子》

列印在三○年代,如果你想要研究高能粒子碰撞,那你得爬到山上去才行。宇宙射線(來自外太空的高能粒子束)不停沖刷著高層大氣,組成這些射線的各種粒子裡面,有些具有相當高的能量,能夠穿透到較底層的大氣,抵達山頂的高度,所以物理學家可以在山頂研究這些高能粒子的碰撞現象。像這種研究得靠機運才能探測到粒子,而且由於機運難以捉摸,任兩次事件發生的情況都不會是完全相同的。

美國物理學家卡爾.安德森於一九三二年發現了狄拉克預測的正子,四年後,他和他的夥伴美國人內德梅耶將粒子探測裝置堆到平板卡車上,把卡車開上洛磯山脈的派克峰峰頂,那裡大約位於科羅拉多泉以西十六公里。 在穿透而過的宇宙射線留下的蹤跡裡,這兩位物理學家辨識出了另一種新粒子,行為和電子非常相似,但是受磁場作用而偏向的角度要小得多。

這種粒子受磁場影響而轉向的速度比電子來得慢,但又比相同速度的質子(在反方向上)轉得更猛。結論只有一個:這是一種新的「重」電子,質量大約是普通電子的兩百倍;它不可能是質子,因為質子的質量大約是電子的兩千倍。

這個新粒子被稱作介子(meson),是個不受歡迎的發現。重量級的電子?這不符合任何對於自然界基礎組成的理論或預測。

加里西亞出生的美國物理學家拉比很不高興,他質問道:「誰要來負責解釋這個發現呢?」一九五五年,蘭姆在他的諾貝爾得獎演說裡呼應了這種挫敗感,他說:「……在過去,發現新基本粒子的人會受到諾貝爾獎的表彰,但是現在,像這樣的發現應該要罰款一萬美元。」

一九四七年,在法國庇里牛斯山的南日峰頂,布里斯托大學的物理學家鮑威爾和他的團隊在宇宙射線裡發現了另一種新粒子。這種新粒子的質量比介子稍微大一些,是電子質量的兩百七十三倍,有的帶正電,有的帶負電,後來還發現了不帶電的種類。

這下物理學家為了取名字一個頭兩個大,介子被重新命名為緲介子,後來簡稱為緲子(muon), 新的粒子則被稱作π介子。隨著宇宙射線產出粒子的探測技術愈來愈進步,事情一發不可收拾,在π介子之後,很快又發現了帶正電和帶負電的K介子,還有電中性的Λ粒子,新名字激增。費米有次在回應一名年輕物理學家的問題時說道:「年輕人,如果我有辦法記住這些粒子的名字,那我應該去當植物學家。」

K介子和Λ粒子的行為相當奇特。這些粒子大量生成,這是強交互作用的明確特徵,它們通常成對出現,形成獨特的「V」字形軌跡,然後繼續前進,可能會在衰變前通過探測器。這些粒子衰變所需要的時間比生成所需的時間要長得多,暗示它們雖然透過強核力而生成,但它們的衰變模式是由另一種微弱的力所主宰的。事實上,這種力與主宰貝他放射性衰變的力是同一種。

同位旋對解釋K介子和Λ粒子的奇異行為幫不上忙,這些新粒子似乎具有某種迄今未知的額外特性。

美國物理學家蓋爾曼大惑不解,他發現了以同位旋來解釋這些新粒子的方法,不過必須要建立在同位旋出於某種未知理由被「平移」了一個單位的假設上。這一點在物理上毫無道理可言,所以他提出一種新的特性,後來他稱之為奇異性(strangeness),用來說明這個平移量。 他之後引用英國畫家培根的名言:「凡絕美之物,必定帶著幾許奇異。」

蓋爾曼主張,姑且不論奇異性到底是什麼東西,它就跟同位旋一樣,在強交互作用過程中會保持恆定。在牽涉到「正常」(亦即不具奇異性)粒子的強交互作用裡,每產生一個奇異性為+1的奇異粒子,都會同時伴隨另一個奇異性為–1的奇異粒子,所以整體的奇異性守恆,這就是這些粒子傾向於成對出現的原因。

奇異性守恆也解釋了為什麼奇異粒子要花這麼長的時間衰變。奇異粒子一旦形成,就不可能透過強交互作用再轉變回普通粒子了,因為這個過程需要改變奇異性(從+1或–1變成零),而強交互作用在預期中是很快就會發生的事。所以奇異粒子可以撐很久,直到屈服於弱核力之下,而弱核力才不在乎奇異性是否守恆。

沒有人知道為什麼。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第三章:看不出價值,由貓頭鷹出版

註:

  1. 其實他們的卡車沒能夠一路開到收費口,所以剩下的路程他們得把東西拖上去。這兩位科學家的實驗預算相當有限,但他們很幸運地遇到通用汽車的副總裁,他正在山上測試一款新型雪佛蘭卡車。他很好心地替兩位科學家的卡車安排拖吊,還出錢幫他們換了新引擎。事實上,質子和電子的靜止質量(粒子速度為零時的質量)之比值為1836:1。這個名字會讓人混淆,因為物理學家很快就發現到,緲介子事實上並不屬於我們現在歸類為「介子」的粒子種類。
  2. 差不多在同一時間,日本物理學家西島和彥與中野董夫也提出了幾乎一樣的想法,他們將奇異性稱之為「η電荷」。

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