反质子的发现

当时的困境

1931 年，狄拉克从自己的方程里读出了「反电子」；第二年，安德森在宇宙线照片上找到了它，这就是正电子。顺理成章的下一问是：质子也有反粒子吗？

照理说应当有。可质子不像电子那么「听话」。1933 年施特恩与弗里施量出质子的磁矩约为核磁子的 2.5 倍（今天的精确值约 2.79 倍），而狄拉克方程对一个点状粒子的预言恰好是 1 倍——质子显然不是一个简单的狄拉克粒子。那么，从狄拉克方程推出的「每个粒子都有反粒子」，对质子是否还成立？伯克利四人后来在论文开头就写明了这个疑问：在拿到实验证据之前，完全可以怀疑质子是不是与电子同一意义上的狄拉克粒子。

宇宙线里零星有几个事例像是反质子，但都下不了定论。要人工造一个，门槛很高：一个质子打静止的质子，要同时造出一对质子与反质子，入射质子的动能至少是质子静能的 6 倍：

$$T_{\text{th}} = 6\,m_p c^2 \approx 5.6\ \text{GeV}$$

二十世纪五十年代初，世界上没有一台加速器够得着。伯克利辐射实验室的劳伦斯与麦克米伦设计高能质子同步加速器 Bevatron 时，特意把能量定在 6 GeV 出头——据张伯伦的诺贝尔演讲，设计者清楚这是造反质子所需的能量。靶核里的核子本身在运动，门槛还能再降一些，伯克利四人按费米动能 25 MeV 估算，约 4.3 GeV。

机器在建，怀疑也在长。据张伯伦回忆，大物理学家戈德哈伯曾与斯奈德打赌，押了一大笔钱赌反质子不存在。

洞见时刻

1955 年 Bevatron 投入运行，伯克利至少有几路人马在找反质子：有人把乳胶或云室放进负粒子束里，等着看反质子湮灭时的「爆炸」；塞格雷组的张伯伦与维甘德选了另一条路——不等它死，直接称它的质量。

一个粒子的质量可以由动量和速度算出来：

$$m = \frac{p}{c}\cdot\frac{\sqrt{1-\beta^2}}{\beta}$$

动量交给磁铁：铜靶上打出来的负粒子要先经 Bevatron 自身的磁场、再经两段偏转磁铁与四极磁透镜，才能到达终点，走得通的只有动量 1.19 GeV/$c$ 左右的粒子。同样动量下，π 介子的速度是光速的 99%，反质子只有 78%。

速度用两种独立的办法测。一是飞行时间：两个闪烁计数器相隔 40 英尺（约 12 米），π 介子飞过要 40 纳秒，反质子要 51 纳秒。二是切连科夫计数器：带电粒子在介质中跑得比那里的光速快，就会沿锥面发光，锥角由速度决定。张伯伦与维甘德做了一只石英计数器，只收特定角度的光，只对 $0.75 < \beta < 0.78$ 的粒子响应；另加一只氟碳液体的「守卫计数器」，任何 $\beta > 0.79$ 的粒子穿过都会让它响，一响就作废。

之所以要两道关卡，是因为反质子实在太少。论文给出：在 6.2 GeV 下，束流里每 44000 个介子才有一个反质子。两个 π 介子恰好前后相隔 11 纳秒经过，就能冒充一个反质子的飞行时间；守卫计数器正是为堵这个漏洞加的。每一次符合都在示波器上拍照存底，事后逐张量脉冲间隔。

机时是抢来的。据《CERN 快报》与施泰纳的回顾，9 月 21 日本该轮到洛夫格伦组做四天反质子搜寻，他们把时间让给了塞格雷组；第二天，第一个反质子候选出现了。起初他们险些错过：装置无意中调到了一个略偏离质子的质量，是把全部磁场反转、改找正质子却几乎找不到，才查出对准有误。

接下来是一连串检验。把磁场调到略重或略轻的质量，计数就消失，只在质子质量处有一个峰——这证明他们数到的确实是质子质量的粒子，定到 5% 以内；把 Bevatron 的束流能量降下来，反质子也跟着消失，符合产生阈的预期。1955 年 10 月 19 日预印本定稿，写道：

到目前为止，已探测到六十个反质子。

同一天辐射实验室开了记者会。论文 10 月 24 日寄到《物理评论》，11 月 1 日刊出。

计数器实验证明的是「有一种质量等于质子、带负电的粒子」。它会不会与质子湮灭，要靠另一种证据。戈德哈伯领导的伯克利乳胶组与罗马的阿马尔迪组把乳胶叠放进这条束流里；不久，瑞典年轻物理学家埃克斯蓬在显微镜下找到第一颗释放能量极大的湮灭「星」：看得见的能量就超过了一个质子的静能，入射粒子自己的能量不够，只可能是它与一个普通核子同归于尽。1959 年，张伯伦与塞格雷因发现反质子共获诺贝尔物理学奖。

署名与优先权

这项发现的功劳分配，当时和后来都有争议。

维甘德。 论文四位作者，奖只颁给两人。据 Jackson 为美国国家科学院所写的塞格雷传记回忆录，有人认为维甘德与任何一人一样有资格分享；他为何没被包括在内，外界不得而知。张伯伦在诺贝尔演讲里说维甘德的贡献「对我们的成就绝对不可或缺」。同一篇回忆录说，塞格雷认为自己作为组长调动资源、争到机时，无论数据是谁采的，都理应分享荣誉。

皮乔尼。 意大利物理学家皮乔尼当时在布鲁克海文，是束流引出与聚焦的专家。据《今日物理》2003 年的讣告，他 1954 年访问伯克利时，向塞格雷提出过一个引出动量选定的次级束、长到足以用飞行时间测质量的方案；塞格雷组没有接纳他加入。论文致谢写的是「皮乔尼博士在实验设计方面提出了很有用的建议」；张伯伦的诺贝尔演讲专门提到四极透镜的用法出自皮乔尼。另一方面，据施泰纳的回忆，四极磁铁是维甘德设计、自己算出全部参数的。1972 年 6 月，皮乔尼起诉塞格雷与张伯伦，称实验「基本上照他设计并透露给他们的方案进行」，要求赔偿与公开承认。据加州上诉法院的判决书，初审法院以诉讼时效早已届满、口头构想不属于受保护的财产等理由驳回起诉，上诉法院维持原判——法院没有就构想究竟出自谁作出事实认定。

涟漪效应

反中子。 质子有反粒子，与它几乎一样的中子自然也该有。1956 年，洛夫格伦组的科克、兰伯森、文策尔与皮乔尼让反质子在靶中与质子交换电荷，变成不带电的反中子，再看它在下游湮灭——反中子也到手了。

反物质是普遍的。 电子有反电子，质子、中子也有反粒子，粒子-反粒子对称不再只是电子的特例。塞格雷在诺贝尔演讲里总结了头几年的湮灭研究：核子与反核子湮灭时，平均放出约 4.8 个 π 介子，而不是一对光子。这些数据后来成了理解强相互作用与 CPT 对称性的原始材料。

束流越做越好。 据塞格雷的诺贝尔演讲，1955 年反质子每十五分钟来一个，纯度约五万分之一；到 1959 年，伯克利已能做到每分钟十个、每十个粒子里就有一个反质子。此后反质子成了加速器上的常规「弹药」。

对撞机。 反质子与质子电荷相反、质量相同，可以在同一个磁铁环里反向运行。20 世纪 80 年代初，CERN 把 SPS 改造成质子-反质子对撞机，1983 年发现 W 与 Z 玻色子；费米实验室的质子-反质子对撞机 Tevatron 在 1995 年发现顶夸克。

反氢。 把反质子与正电子拼起来就是反氢原子。1995 年 CERN 首次造出反氢，2010 年代已能把它囚禁起来测量光谱，检验物质与反物质是否真的完全对称。

如果没有它

反质子迟早会被发现——Bevatron 就是为它造的，伯克利还有好几个组在同时追。但 1955 年的这次实验留下的，远不止一个名额。

它示范了一种做法：不靠看见粒子的「尸体」，而是靠磁铁、快电子学和切连科夫计数器，在飞行中逐个称出粒子的质量。今天的粒子物理实验里，用动量与速度鉴别粒子仍是基本功，环形成像切连科夫探测器和飞行时间系统无处不在。如果当年只有乳胶和云室那一路，反质子也会被认出来，但未必这么干净、这么快，也未必催生出这套日后成了标准配置的电子学方法。

更重要的是，它回答了狄拉克理论最大的那个问号：反粒子不是电子的专利。没有这一步，此后的反中子、反氢、质子-反质子对撞机，以及「宇宙为什么几乎只剩物质」这一问，都失去了最坚实的实验起点。