图:1977 年摄于意大利科莫 / AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection / 署名许可
丁肇中
Samuel Chao Chung Ting1936–今 · 生于美国密歇根州安娜堡 · 美国
把分辨率做到极致的实验家,也是最不肯替理论背书的那一个
诺贝尔物理学奖 1976 发现一种新的重基本粒子
1974 年 11 月,两台设计思路完全相反的机器在同一天宣布找到了同一个粒子。其中一台是丁肇中在布鲁克海文的双臂谱仪,它的过人之处只有一个字:准。
先把尺子做准
他 1936 年生于美国安娜堡——父母是短期访美的中国学者,两个月后就带他回了国。此后是战乱中的辗转,他十二岁前几乎没上过正规学校,1949 年随家到台湾才开始系统读书,1956 年赴美。
他做实验的路数从一开始就很清楚:不追时髦的题目,追精度。 1965 年他在德国做的第一件出名的工作,是用高精度测量去检验量子电动力学在小距离上是否仍然成立——那是一项别人做过、他认为做得不够干净的实验。
1974 年那台谱仪也是这个路数:不去覆盖尽可能大的范围,而是把正负电子对的不变质量分辨率压到千分之一。正是这份分辨率救了那个发现——3.1 GeV 处的峰宽度只有约 93 keV,比同能区寻常的强子共振窄了三个数量级,稍微差一点的仪器只会把它抹成一个鼓包(发现的经过与物理见本站「J/ψ 粒子的发现」页)。
他不敢发表。 数据出来后,他把结果压了几个星期,反复排查是不是仪器假象——因为那个宽度在当时的理论图像里说不通。这份谨慎既是他后来被称道的地方,也让他差点被里克特抢先。
让人互相拆台
他带团队有一个出了名的做法:把同一批数据交给几组互不通气的分析人马,各自独立走完全流程,最后比对结论。对不上就查,直到查明为止。
这在大型合作组里成本极高,却是他对「重复性」的理解——一个结果如果只有一条路径能得到,那它还不算被证实。L3 实验和后来的 AMS 都沿用了这一套。
他在公开场合以另一件事著称:不替自己没有证据的事情背书。 被问到超出数据范围的问题时,他常常直接回答不知道,包括那些听众明显期待他给出漂亮判断的场合。
把探测器送上天
1995 年,六十岁的他开始推动一件在同行看来近乎不可能的事:把一台带超导磁体的粒子物理探测器送上国际空间站,在大气层之外直接测量宇宙线里的带电粒子——地面上做不到,因为大气会把一切打乱。
阿尔法磁谱仪历经十六年、十几个国家、数百名工程师,中途还遇上航天飞机计划因哥伦比亚号事故而收缩、AMS 的班次一度被取消;他四处游说才把它争取了回来。2011 年 5 月,AMS-02 抵达空间站,此后持续运行至今,累计记录了超过两千亿个宇宙线事件。
它的主要目标是找反物质原子核与暗物质湮灭的痕迹。到今天,前者一个也没找到,后者的信号仍有争议——正电子比例在高能段确实高于预期,但天体物理来源(比如脉冲星)同样能解释。
这大概是他这个路数最诚实的注脚:一台造了十六年的仪器,最重要的结果之一是「没找到」,而这个「没找到」本身就是对理论的硬约束。
1976 年在斯德哥尔摩,他用中文作了致辞,那是诺贝尔奖历史上的第一次。
代表方程
不变质量
把探测到的一对正负电子的能量与动量加起来,算出的这个量就是产生它们的那个粒子的质量。丁肇中那台谱仪的过人之处,是把这个量的误差压到千分之一——正因为如此,3.1 GeV 处那个窄得离谱的尖峰才没有被抹平。