從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅

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本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

整理撰文／郭雅欣
責任編輯／簡克志
美術設計／蔡宛潔

丁肇中是享譽全球的物理學家，他的研究為現代物理學奠定了基礎，也讓他獲得 1976 年的諾貝爾物理獎。丁肇中是中央研究院院士，也是現任麻省理工學院的物理學教授。

歷經數十年實驗物理的研究之路，他用一次次的實驗結果打破原本的理論認知，為物理學開創了新的道路。

丁肇中如何從 J 粒子的發現，走到最前沿研究宇宙射線，探索宇宙的起源與未知？中研院「研之有物」梳理記錄丁肇中 2022 年在院內物理研究所的演講內容，介紹他在物理學領域的傑出成就以及科學家的體悟。

丁肇中院士 2022 年 12 月在中研院物理所演講，題目為「我所經歷的現代物理和我的體會」。圖／中研院物理所

「實驗是自然科學的基礎，理論如果沒有實驗的證明，是沒有意義的。當實驗推翻了理論後，才可能創建新的理論；理論是不可能推翻實驗的。過去 400 年來，我們對物質基本結構的了解，大都來自於實驗物理。」

中研院物理所於 2022 年 12 月 27 日舉辦了李水清講座，邀請到著名的實驗物理學家丁肇中，他以這段話做為整場講座的開端。

從丁肇中踏上實驗物理之路開始，至今已有 60 多年，這一路走來，丁肇中累積了許多突破性的成果，這些經歷也讓他獲得了豐富的人生體會。在這場講座中，丁肇中以「我所經歷的現代物理和我的體會」為題，一一細數這些成果及體會，在言談中展露出他對物理的熱情、堅持，以及永不磨滅的興趣與好奇心。

做實驗不盲從專家：證明電子沒有體積

1965 年丁肇中前往德國的大型粒子物理學研究機構「德國電子加速器」（DESY）進行第一個實驗工作，目的是證明「電子沒有體積」。為什麼要做這個實驗呢？因為當時科學家對電子有無體積的問題出現了爭議。

根據理查．費曼（Richard Feynman）、朱利安．施溫格（Julian Schwinger）和朝永振一郎在 1948 年提出的量子電動力學理論（Quantum Electrodynamics，簡稱 QED），電子是沒有體積的，當時所有的實驗都證明了 QED 理論的完備性，他們三人也因此獲得 1965 年的諾貝爾物理獎。

可是在 1964 年時，哈佛大學和康乃爾大學的科學家和專家耗費多年心思，進行兩個不同的實驗，卻得出與 QED 相反的結論——量子電動力學是錯誤的，電子是有體積的，半徑是 10-13～10-14 公分。這個結論是兩個不同實驗團隊的成果，也因此受到物理界人士的認可和重視。

當時剛獲得博士學位的丁肇中，決定用不同方法來測量電子半徑。丁肇中回憶：「那個時候沒有人相信我能做出這個實驗，更沒有人支援我。」所以在 1965 年，丁肇中決定離開美國，到德國新建的 DESY，利用這個周長 320 公尺的加速器，產生能量 75 億電子伏特的光，打到儀器上，以測量電子的半徑。

在德國八個月後，丁肇中的實驗結果證明量子電動力學是正確的：電子真的沒有體積，它的半徑小於 10-14 公分。我們可以說：在當年實驗可及的範圍內，電子半徑為零（consistent with zero）。這推翻了當初康乃爾大學與哈佛大學備受重視的實驗結果。

丁肇中：「我的第一個體會就是：做實驗不要盲從專家的結論。」

縱軸是正負電子對產生率的實驗結果和 QED 理論預測的比值，橫軸是到電子中心的距離，代表電子半徑大小。圖／研之有物（資料來源／丁肇中）

證明宇宙新物質—— J 粒子

1965 到 1970 年間，丁肇中在 DESY 做了他的第二個實驗，這是一系列和光子、重光子相關的實驗。光子的質量為 0，當時已經知道有三種重光子，它們的質量約為 8 億～10 億電子伏特（eV/c2），其他的特徵則與光子一樣。

丁肇中表示，在高能情況下，重光子與光子應該可以互相轉化，只是機率很低。要找到互相轉化的事例，實驗裝置必須能辨識出一億分之一的發生事例，後來他也成功完成了這項困難的實驗。

之後，丁肇中還想解決另一個問題：「為什麼所有的重光子質量都和質子的質量相近，都是 10 億電子伏特左右？」為了尋找更重的重光子，丁肇中決定到美國布魯克黑文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的質子加速器上，做一個更加精密的探測器。

要找到高質量的重光子，必須每秒鐘輸入一萬億個高能量質子到探測器上，這會徹底破壞探測器，也會對工作人員造成危險。所以，丁肇中發展的新探測器不但必須非常精確，還必須是在非常強的放射線下，能正常工作的儀器。

因此輻射遮蔽相當重要，如下圖。藍色部分是磁鐵，黃色部分是大型探測器，為了保護探測器，在中心放射線周圍包裹了厚厚的水泥，黑色區塊部分是遮蔽材料，例如鈾、鉛和肥皂（含水可吸收中子），放在水泥周圍遮蔽輻射，位置會依實際需求做改動。此外，圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。

這個實驗的遮蔽材料總共用了 5 噸鈾 -238、100 噸的鉛、 5 噸的肥皂，以及 1 萬噸的水泥。整個實驗設施的最外圍，還會堆上大量的水泥塊，保障工作人員安全。

新探測器必須非常精確，還必須在非常強的放射線下遮蔽輻射，避免影響儀器。圖中藍色部分是磁鐵，黃色部分是大型探測器；黑色區塊部分是遮蔽材料，例如鈾、鉛和肥皂，放在水泥周圍遮蔽輻射，位置會依實際需求而變動。此外，圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。圖／研之有物（資料來源／丁肇中）

高質量的質子碰撞，可以增加新粒子產生的機率，但其他無關事例產生的機率也同樣會提高。丁肇中形容，尋找高質量的重光子就像是：

「在臺北下雨的時候，每秒鐘會降下 100 億顆雨滴，其中有一顆的顏色不同，你必須在 100 億顆裡面把它找出來。」

可想而知，物理界都不看好這個實驗，因為理論物理學家認為，現有理論已「足夠」解釋現象，找高質量的重光子物理意義不大；實驗物理學家則認為，沒有人能做出如此困難的實驗。

在排除萬難的堅持之下，1974 年丁肇中就在實驗中發現了新的粒子「J 粒子」，它的壽命比已知的粒子長一萬倍。丁肇中說：「這個發現的重要性，就等同於我們到深山裡發現了一個偏僻的村子，村民不是一百歲，而是一百萬歲，也就是這些人和普通人類是不一樣的。」

換句話說，這證明了宇宙中有新的物質存在，理論必須修正。

當時科學界流行三夸克模型，也就是用三種夸克基本粒子來解釋質子和中子的狀態，而 J 粒子的發現，證實了還有第四種夸克「魅夸克」（Charm quark）的存在。

這段歷程讓丁肇中有了第二個體會：

「做基礎研究要對自己有信心，做你認為正確的事，因為自然科學的發展基本上是多數服從少數，不要因為大多數人反對而改變你的興趣。」

意外的發現——膠子

1970 年代，丁肇中的第三個實驗，是在德國正負電子對撞機（PETRA）上做的，PETRA 是當時能量最高的正負電子對撞機，可讓 300 億電子伏特的正負電子對撞。丁肇中在實驗過程意外發現膠子的存在。

膠子是人眼不可見的基本粒子，是自然界基本作用力「強作用力」的傳遞媒介（Force carrier）。根據現在的標準模型（Standard Model），我們知道原子核裡面有質子和中子，質子和中子是由數個夸克組成，而膠子可以在夸克之間傳遞強作用力，讓夸克束縛在一起。

從原子到夸克的示意圖，膠子是夸克之間的「強作用力」傳遞媒介，用彈簧形狀示意。（為求圖片精簡，仍使用三夸克模型）圖／研之有物（資料來源／丁肇中）

那麼，丁肇中是如何發現膠子的呢？

物理中用來描述強作用力的理論是量子色動力學（Quantum Chromodynamics），根據理論預測，一個正電子和負電子碰撞時會產生能量，大部分是轉變成一對夸克和反夸克（兩個噴柱）。偶爾會產生夸克、反夸克和一個膠子（三個噴柱）。

在丁肇中的實驗中，透過大量的測量，發現正負電子對撞後，果真出現了許多三噴柱的事例，這三個噴柱現象的數量與分布和量子色動力學是符合的，這個實驗結果證明了膠子的存在。

「我們最初做實驗的時候，並沒有想到會發現膠子。最初做實驗目的是繼續尋找電子的半徑。」丁肇中說。因此這個實驗帶給丁肇中的第三個體會，就是：

「對於意外的現象，要有充分的準備。」

大型國際科學合作：L3 實驗

丁肇中的第四個實驗，是 1982～2003 年在歐洲核子研究中心（CERN）進行的 L3 實驗。他們以周長 27 公里的加速器，將對撞的正負電子能量增加到 1000 億電子伏特，碰撞時的溫度是太陽表面的 4000 億倍，也是宇宙誕生最初的 1000 億分之一秒時的溫度，「我們是在實驗室內製造宇宙剛開始的情況。」丁肇中說。

這個實驗的目的是尋找宇宙中最基本的粒子，解答關於宇宙中各種粒子的問題，包括宇宙中有多少種電子？電子有多大？為什麼找不到電子的體積？電子能不能分成更小的粒子？現在有人說最基本的粒子是夸克，夸克到底有幾種？夸克有多大？能不能分成更小的粒子？

這次的國際合作實驗，有美國、蘇聯、中國、臺灣、歐洲等 19 個國家，共約 600 名科學家共同參加。實驗的規模很大，每個國家也各司其職。

實驗的最外層重達 1 萬公噸的磁鐵，以及探測器中 300 公噸的鈾，都來自蘇聯；用於探測高能粒子和高能射線的鍺酸鉍晶體（簡稱 BGO），原本全世界年產量只有 4 公斤，經由中國上海矽酸鹽研究所研發成功，生產了 12 公噸，用於這項實驗中；臺灣與義大利、瑞士的團隊共同研發矽微條軌跡探測器，測量粒子位置的解析度可達 5 微米，中央大學團隊也參與了數據分析。

L3 的實驗前後進行了 20 年，發表了 300 篇相關論文。丁肇中總結出以下結論：

宇宙中只有三種不同的電子和六種不同的夸克。
電子是沒有體積的，它的半徑小於 10 -17 公分。
夸克也是沒有體積的，它的半徑小於 10 -17 公分。
所有的實驗結果都和電弱理論符合，電弱理論是描述電磁力和弱作用力的理論。

「很不幸的，所有的結果都和電弱理論符合。」丁肇中說：「當一個實驗和理論有衝突的時候，才能學到新的東西，把理論推翻掉。假如實驗結果和理論符合，那麼學到的東西就很少。所以對我來說，L3 並不是成功的實驗。」

這個首次的大型國際合作經驗，也為丁肇中帶來了第四個體會：要領導一個國際合作，要選科學上最重要的題目，引起參加國際科學家的最大興趣。對貢獻大的國家要有優先的認可，使之得到國際上的公認，才能得到參加國政府長期的優先支援。

「要領導一個國際合作，要選科學上最重要的題目。」

國際太空站照片，阿爾法磁譜儀（AMS-02）位於國際太空站一側，如右側紅圈處。圖／European Space Agency

史上創舉：阿爾法磁譜儀上太空

丁肇中的第五個實驗目前仍在進行中，那就是位在國際太空站上的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）。

AMS 目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量，會被地球表面上 100 公里厚的大氣層吸收，所以我們無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須把一個磁譜儀放在外太空。

磁譜儀內含有磁鐵，當宇宙射線進入磁譜儀，會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡，不同的粒子會留下不同的軌跡，因此根據偏轉的軌跡，就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前，從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

國際太空站照片，阿爾法磁譜儀（AMS-02）正在收集宇宙數據，於 2011 年 5 月 19 日安裝完成。圖／NASA

丁肇中說，原因非常簡單，「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上，一端向北、一端向南，很快就會讓太空站失去控制。」為此，AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵，從外觀看就像一個木桶，它的磁場不會洩露，「AMS 做過兩次飛行，第一次是用太空梭載運到軌道上運行十天，就回到地面，驗證了這個實驗的可行性。第二次才送到太空站上。」丁肇中說。

AMS 也是一個國際合作的科學計畫，參與的團隊來自世界各地，臺灣也包括在內。對於如何挑選合作夥伴，丁肇中特別提到：「這個實驗很困難，是一個沒有人做過的實驗，你一定要專心。所以參加的人通常只做這個實驗。」

NASA YouTube 頻道對 AMS 磁譜儀的簡介。圖／NASA

AMS 獲得了很多的支援，2008 年，美國參議院和眾議院甚至通過了一條法律，在當時希望盡量減少太空飛行的時空背景下，要求美國政府為 AMS 增加一次太空梭飛行任務，把磁譜儀送到國際太空站上去。

自從 2011 年 5 月升空至今，AMS 在太空中順利地運行，值得一提的是，由臺灣製造的電子系統非常成功，丁肇中說：「整個電子系統包括 650 個微處理器、30 萬個訊號通道。最值得驕傲的是，至今已經 11 年了，沒有一個是壞的。」

AMS 的訊號經由 NASA 通訊衛星傳遞，每日 16 小時由位在 CERN 的控制中心負責監控。在歐洲的夜間時段，則轉到中山科學院的亞洲控制中心監控，實現全年無休，每日 24 小時的監控。

「一開始做實驗的時候，我並沒有想到，太空站在太空中一定要不斷運行，這樣向心力與引力才會平衡。」丁肇中說：「這就表示我們沒有週六、週日，沒有中秋節也沒有過年，每天都要嚴格地監控著。」

丁肇中院士於 2013 年 5 月講述 AMS 首次研究成果。圖／NASA

科學研究的競爭只有第一，沒有第二

這 11 年來，AMS 獲得了許多和現有理論不符合的結果，帶來了對宇宙全新的認知。AMS 第一個成果是探索宇宙中電子與正電子的來源。

從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅目前推測電子和正電子來源有三種可能性：宇宙線（含有質子和氦）與星際物質之間的碰撞、脈衝星產生、再來是暗物質的碰撞。圖／研之有物（資料來源／丁肇中、Wiki）

根據 AMS 目前的成果，關於電子的來源，宇宙線碰撞產生的電子佔比極低，顯然不是主要來源。從數據來看，電子主要是由兩個未知來源的冪律譜數據疊加而得，目前仍缺乏理論解釋冪律譜的來源。所謂的冪律譜，就是能譜隨著能量的某次方變化。

至於正電子的來源，如下圖所示，低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞，高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合，丁肇中表示，「到 2030 年，AMS 的數據誤差會更縮小，」屆時就能真正證明高能正電子是否來自暗物質碰撞，「這是一個非常重要的目標。」

另一方面，AMS 也從數據推論出高能量正電子的來源很可能不是脈衝星，所以更意味著暗物質才是高能量正電子的主要來源，後續期待更多數據的佐證。

除了探索電子來源之外，AMS 也檢視了正電子的來源。低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞，高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合，有待更多數據驗證。圖／研之有物（資料來源／丁肇中）

AMS 的第二個重要成果，是探索宇宙射線的特性和起源。

宇宙射線分為一級、二級宇宙射線。一級指的是在恆星裡經過核融合產生，然後在恆星爆炸的過程中被加速到高能量的射線，包括氫、氦、碳、鐵等。二級宇宙射線是一級宇宙線和星際物質相撞產生的，包括鋰、鈹、硼、氟等。

AMS 發現，一級宇宙射線可以依據剛度（動量除以電荷）的變化分成兩種，第一種包括氦、碳、氧、鐵，第二種則包括氖、鎂、矽、硫。而二級宇宙射線也分為兩種剛度變化：鋰、鈹、硼隨著剛度的變化是一樣的，氟則是另外一種變化。

宇宙中有各式各樣的宇宙射線，可是它們隨著剛度的變化卻是有限的，「這是不可想像的現象，」丁肇中說：

「所有宇宙射線的實驗結果都與理論不符合——所有目前的理論都是錯誤的。」

AMS 將繼續工作到 2030 年，在那之前，AMS 的探測器會升級，讓接收度提升三倍。AMS 將在宇宙這個最廣袤的實驗室中，持續收集數據，尋找自然界中存在，而我們未曾想到、也不曾發現的現象，改變我們對宇宙的認知。

「我的大多數實驗都受到很多人的反對。理由是實驗沒有物理意義、實驗非常困難，不可能成功。」丁肇中說：「可是過去 45 年來，很多優秀的科學家，包括臺灣的李世昌院士和張元翰教授[註]，對實驗做出很重要的貢獻。實驗結果改變了我們對宇宙的認知。每一個實驗都發展新的儀器，讓實驗成功。」

丁肇中以自身的最後一個體會，為整場講座下了一個總結：

「自然科學的研究，是具有競爭性的，只有第一名，沒有第二名。」畢竟，「沒有人知道誰是第二個發現相對論的。」

最後，「研之有物」也收錄了在該場演講的尾聲，中央研究院物理所的李世昌院士與丁肇中院士的精彩對談，他們是合作多年的朋友，在問答之間，我們也能更瞭解丁院士如何看待實驗物理，節錄摘要如下。

李世昌院士（左）與丁肇中院士（右）對談。圖／中研院物理所

Q：您到母校密西根大學的時候，起初是想要鑽研理論物理，但為什麼後來改朝實驗物理的方向進行？

我起初其實是學機械工程，但當時還沒有電腦，必須自己畫圖，而我一條線都畫不直，所以我的老師建議我改念數學或物理。而就像李院士說的，我一開始選擇了理論物理，但後來，發現電子自旋的喬治．烏倫貝克（George Uhlenbeck）教授給了我啟發。

烏倫貝克說：「如果重來一次，我會選擇當個實驗物理學家，而不是理論物理學家。」我問他為什麼，他說：「對物理真正有影響力的理論物理學家，一隻手的指頭就數得出來。但做實驗得到的每一個結果，都是對物理、對人類知識有貢獻的。」我和他談完之後，就在他的辦公室外走來走去，然後告訴他：「You are right, I’m leaving you.」（在場聽眾笑）

Q：剛才演講中，您強調科學需要打破現有理論才會進步。但是我跟您工作這麼多年，看到您經常徵詢有名的物理學家意見，也有邀請理論物理學家參加 AMS 實驗組的大會。因為您對理論不會完全相信，所以想請問您在什麼情況下，會覺得要跟這些理論物理學家談一談？

我通常在進行大型實驗之前，會找幾個人談一談。一個是實驗物理學家沃爾夫岡．帕諾夫斯基（Wolfgang K. H. Panofsky），他在史丹佛大學做了一個兩公里長的直線加速器，對技術及理論都非常了解。還有一個人是理查．費曼（Richard Feynman），我和費曼相熟是因為我證明了他的理論是對的。

此外包括史蒂文．溫伯格（Steven Weinberg）、謝爾登．格拉肖（Sheldon Glashow）等物理學家，我也會跟他們談我的實驗。通常我都是已經想好實驗以後，再聽聽他們的意見作為參考，不過我從來不照他們所說的去做。

Q：您曾經說過，如果人是依據自己有什麼能力，再來選擇研究的課題，這是最笨、最愚蠢的，應該先看一個題目有沒有重大影響力來決定。如果自己的能力不足，可以找別人合作。請問您在做完 L3 實驗之後，是如何選擇現在正在進行的 AMS 實驗？

當時我已經做了很多加速器的實驗，我想下一步，應該挑一個大家都認為不可能的實驗，所以就挑了一個到太空去做的實驗，也就是 AMS。我從來沒有做過太空實驗，我們組裡也沒有一個人有太空相關的經驗，所以過去的經驗是沒有意義的。

當我和美國政府提出 AMS 實驗時，美國能源部反對。他們認為我從來沒做過太空實驗，而且太空實驗非常非常貴。為了證明實驗的價值，我要求他們成立評審委員會，成員必須是世界第一流的科學家、美國科學院院士以及拿過諾貝爾獎的人。

這是因為第一流科學家眼光比較遠，能夠看到將來。後來委員會成立，成員包括許多天文物理學家。經評審後，他們認為這是很重要的實驗。最後我們就在 NASA 展開了 AMS 實驗。

Q：發表的實驗結果一定要正確，這是您最重視的一件事。在發現 J 粒子的時候，從您看到訊號到最後決定發表，隔了很長的時間。有人說如果您早一點發表，Burton Richter 可能就沒有機會和您共同得到諾貝爾獎。您對於實驗的結果，是如何決定發表的時機？

我們是在 1974 年 8 月看出有 J 粒子的訊號，本來打算在 10 月時發表，但我想稍微等一等，看能不能看到更高能量的粒子，所以才等到 11 月。當時我並不知道別人可以用正負電子對撞機來做這個實驗。直到 11 月 11 日，我到史丹佛大學去，才知道伯頓·里克特（Burton Richter）帶領的 SLAC 國家加速器實驗室團隊也發現了一樣的事情。

至於 AMS 的成果，我一直提醒大家記住一件事，我們花了 20 年的時間準備這個實驗，在接下來的半個世紀，我想很可能沒有人會再像我們這麼笨，再放一個磁譜儀到太空中，所以如果發表了什麼結果，一定會影響整個物理研究的方向，所以要特別小心謹慎。