基本粒子的神秘「味道」

2021-02-25 中科院高能所

■ 邢志忠/文

1897年，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆孫（Joseph John Thomson）在陰極射線實驗中發現了電子，這是人類探測到的第一個現代意義上的基本粒子。之後歷時一百餘年，科學家們費盡周折，終於勾勒出比較完整的組成物質世界以及傳遞相互作用力的基本粒子族譜，它包含六個夸克、六個輕子、傳遞電磁力的光子、傳遞強核力的膠子、傳遞弱核力的帶電和中性玻色子以及與基本粒子質量起源有關的希格斯（Higgs）玻色子。

作為物質最基本組分的夸克和輕子在粒子物理學中被賦予了「味道」（flavor）的含義。這一形象的概念是由美國物理學家默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和德國物理學家哈羅德·弗裡奇（Harald Fritzsch）在1971年突發奇想而引入物理學的。當時他們二人正在美國加州一家名叫巴斯肯·羅賓斯（Baskin-Robbins）的冰淇淋店閒談，發現冰淇淋不僅色彩斑瀾而且有巧克力、草莓等不同的口味。於是他們決定用「味道」來區分不同的夸克和輕子，質量小的粒子叫做「輕味」（light flavor），質量大的粒子叫做「重味」（heavy flavor）。如今味物理學已經成為基本粒子物理學的主要分支之一，它所關注的基本問題包括夸克和輕子的質量起源、不同粒子之間的相互轉化以及物質與反物質的不對稱性。

聰明絕頂的蓋爾曼其實是個為科學概念起名的大師。除了「味道」之外，諸如「夸克」、「膠子」以及「色」量子數等生動有趣的粒子物理學名詞都出自他的奇思妙想。這既反映了蓋爾曼的原創才華和巨大學術影響力，也反映了他本人和其他科學家們那種與生俱來的幽默和詼諧的個性。一個特別生動的例子是英國理論物理學家約翰·埃利斯（John Ellis）在和別人打賭輸了之後，不得不把「企鵝」這個與基本粒子毫無關係的名詞引入物理學來描述夸克的味道改變過程。

1977年夏天，正在歐洲核子研究中心從事理論物理學研究的埃利斯遇到了如今身為哈佛大學物理系主任的女實驗物理學家梅利莎·弗蘭克林（Melissa Franklin）。當時弗蘭克林還是個年輕學生，有一天晚上她約埃利斯和另一位朋友到 一家小酒館玩飛鏢，並打了一個難度很大的賭：假如埃利斯輸掉了投飛鏢的遊戲，他就必須在下一篇學術論文中使用「企鵝」一詞。後來弗蘭克林本人提前離開了小酒館，但她的那位朋友卻贏了埃利斯。遵守承諾的埃利斯不得不絞盡腦汁，思考如何把笨重可愛的企鵝與自己的基本粒子理論研究課題自然而然地聯繫起來。最終他發現了一個讓人服氣的辦法：將描述兩種電荷相同、味道不同的夸克之間相互轉化的費曼圖（Feynman diagram）畫成企鵝的形狀，並把它稱作「企鵝圖」。埃利斯及其合作者的這篇論文很快就正式發表了，它不僅成就了「企鵝圖」一詞在味物理學中的廣泛應用，而且成為研究味混合與CP對稱性破壞的經典文獻。

科學家們在探索未知的道路上不可避免地要經歷很多寂寞和失敗的考驗。在這種情況下，擁有寶貴的幽默感至關重要，因為它既是一種健康的生活態度，也是激發創造力的心靈源泉。

來源：邢志忠研究員科學網博客

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