「腳註」的殺傷力:卡比堡教授何以錯失了諾貝爾獎?|馬丁紐斯·韋爾...

2021-01-11 騰訊網

眾所周知,描述三代夸克混合與CP(電荷共軛及宇稱對稱性)破壞的么正矩陣被稱作Cabibbo-Kobayashi-Maskawa(簡稱CKM)矩陣,其主要貢獻者是義大利的尼古拉·卡比堡(Nicola Cabibbo)以及日本的小林誠(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)。然而2008年的諾貝爾物理學獎卻頒給了南部陽一郎(Yoichiro Nambu)、小林誠和益川敏英這三位日本理論物理學家,這讓卡比堡和許多業內人士大跌眼鏡。斯德哥爾摩為什麼要把卡比堡教授撇下而選擇了看起來不太相干的南部教授?難道小林和益川僅僅因為將著名的「卡比堡角」(Cabibbo angle)擴展為含有一個不平庸CP破壞相位的3×3么正矩陣就值得獲獎嗎?這件令義大利人傷心和憤怒的事件背後還有不為人知的其它原因嗎?

是的。卡比堡之所以錯失諾貝爾獎,至少有兩個致命的、純學術的原因,這一點可能超出了很多粒子物理學家的想像。

首先,他於1963年發表的那篇有關「卡比堡角」的學術論文雖然具有裡程碑的意義,迄今為止其引用率也超過了6000次,但它的關鍵思想卻並非首創!其次,小林和益川發表於1973年的論文雖然看似將卡比堡的2×2夸克混合矩陣擴充為3×3夸克混合矩陣,從而自然地引入了一個破壞CP對稱性的相位,但本質上卻並非如此。小林和益川的論文其實是一篇純場論的文章,他們主要做的事情是檢查了電弱統一模型產生CP破壞的動力學機制,發現只有當把二代夸克模型擴展為三代,才可能實現CP不守恆。相比之下,卡比堡的論文只是解釋當時實驗觀測數據的唯象學工作;而兩位日本理論家的論文不僅從場論的角度指出了夸克混合與CP破壞的動力學原因,而且還一舉預言了三種新夸克的存在,最終這兩個方面都被實驗證實了。

那麼,是誰在卡比堡之前提出了類似於「卡比堡角」的想法用以解決當年的貝塔衰變實驗數據與當年的理論預期不相符的問題的呢?

他們不是別人,就是「夸克之父」、美國理論物理學家默裡·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和他的法國合作者莫裡斯·利維(Maurice Levy)。在這篇題為「貝塔衰變過程中的軸矢流」(The Axial Vector Current in Beta Decay)、於1960年3月發表在義大利專業期刊《新探索》(Nuovo Cimento)的論文中,蓋爾曼和利維利用審讀校樣的機會在討論矢量流守恆假設與實驗結果相矛盾之處添加了一個腳註(如圖所示),指出涉及中子和∧重子的貝塔衰變矢量流的部分可能分別含有因子。當前者取實驗值0.97時,就可以定出,這一結果恰好能夠解釋∧重子衰變的低概率。如果上述因子分別設為cosθ和sinθ,那麼相應的混合角θ就描述了兩代夸克的質量本徵態和相互作用本徵態之間的不匹配。這個角,其實就是日後以卡比堡的名字命名的夸克混合角。

蓋爾曼和利維的文章迄今為止已經被引用近2000次,毫無疑問是有其重要學術價值的。更重要的是,這篇論文在1962年啟發了名古屋學派的牧二郎(Ziro Maki)、中川昌美(Masami Nakagawa)和坂田昌一(Shoichi Sakata)提出了兩代中微子之間發生「味混合」的物理圖像,後者就是著名的MNS輕子混合矩陣的雛形,為日後布魯諾·龐蒂克沃(Bruno Pontecorvo)等人推導中微子振蕩的概率提供了必不可少的先決條件。

1963年4月底,正在歐洲核子研究中心(CERN)工作的卡比堡完成了他那篇題為「么正對稱性與半輕衰變」(Unitary Symmetry and Leptonic Decays[1])的歷史性論文,一舉解釋了當時各種重子的貝塔衰變率的實驗測量值。據說他當時異常興奮,跑到也在CERN工作的荷蘭物理學家馬丁紐斯·韋爾特曼(Martinus Veltman)的辦公室告訴韋爾特曼:其實就是一個角的事兒!韋爾特曼聽了卡比堡的講解,對他開玩笑說:那就把這個角叫做「卡比堡角」好了!卡比堡將自己的得意之作投稿給美國的《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊,一個半月之後該論文就發表出來了。

值得注意的是,卡比堡在論文中引用了蓋爾曼和利維的工作,但卻把後者的年份錯寫成了1958年。他在參考文獻中承認,「蓋爾曼和利維提出了類似的想法」[Similar considerations are forwarded in M. Gell-Mann and M. Levy, Nuovo Cimento 16, 705(1958)]。這個類似的想法卻正是問題的關鍵。所以說,卡比堡的工作雖然意義很大,但卻不是原創性的。

尤其大師蓋爾曼本人對卡比堡的論文頗不以為然。據他的博士後與摯友、德國理論物理學家哈羅爾德·弗裡奇(Harald Fritzsch)教授後來透露,蓋爾曼從來不曾把兩代夸克之間的混合角稱作「卡比堡角」,而是揶揄地稱之為「那個角」(That angle)。考慮到蓋爾曼在學術界的崇高地位和話語權,如果他對卡比堡的工作持頗有道理的保留意見,那麼卡比堡要想獲得諾貝爾獎就不是一件容易事了。所以在某種意義上,可以說蓋爾曼和利維那篇論文及其「該死」的「腳註」成了卡比堡教授通往斯德哥爾摩之路的不折不扣的「絆腳石」。當然,許多學者可能還是覺得無論如何,卡比堡對CKM夸克混合矩陣的貢獻都達到了諾貝爾獎的高度。關於這一點,恐怕就是仁者見仁、智者見智了。

卡比堡和小林教授在2006年12月的名古屋「CKM么正三角形」國際會議上的合影,當時他們倆和益川教授一同獲得諾貝爾獎的呼聲很高

當時年輕氣盛的小林和益川在他們那篇發表於1973年、如今引用率已經超過10000次的歷史性論文中,不僅沒有引用卡比堡的上述論文,甚至連傑拉德·特·胡夫特(Gerard『t Hooft)關於標準模型可重正化的論文都沒有引用。好在他們二人的文章是在日本國內的期刊《理論物理學進展》(Progress in Theoretical Physics)上發表的,基本不會撞上歐美的審稿人。這正是本土學術期刊的一大優勢:搶先發表才是硬道理!

可以想見,2008年度諾貝爾獎評委會正是注意到了卡比堡的工作的局限性,才小心翼翼地把研究動力學對稱性自發破缺問題的先行者南部與小林和益川組合在一起,以表彰他們在對稱性破缺方面的傑出理論貢獻。

註:需要注意的是,按照今天的強子衰變分類,卡比堡所討論的其實是「半輕」衰變過程(即衰變末態同時含有強子和輕子),而不是他的論文題目所顯示的「純輕」衰變過程(即衰變產物只有輕子,不含有強子)。所以為了避免造成誤解,我們這裡採用了意譯而非直譯。

來源:中國科學院高能物理研究所

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