2003年7月30日，中科院高能物理研究所在北京宣布，北京譜儀國際合作組在5800萬J/ψ事件的數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)了一種新的短壽命粒子，其質(zhì)量為18.59億電子伏，自旋為0。這種短壽命粒子通常被稱為共振態(tài)。這一重要成果發(fā)表在國際著名期刊《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.）上，引起了國際高能物理界的高度關(guān)注。各種新聞媒體都對此事進(jìn)行了報道，很多人對共振態(tài)產(chǎn)生了濃厚的興趣：什么是共振態(tài)？世界上第一個發(fā)現(xiàn)共振態(tài)的人是誰？新發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)有何意義？
壽命極短的粒子稱為共振態(tài)。當(dāng)粒子壽命短于10-10s至10-12s時，很難在探測器上留下軌跡物理資源網(wǎng)，無法直接探測到，只能通過其衰變產(chǎn)物的反應(yīng)截面來觀測。在研究原子核的散射和反應(yīng)過程中，當(dāng)入射粒子的能量取一定值時，散射或反應(yīng)的截面突然變大，而截面隨能量變化的曲線與力學(xué)中的共振曲線完全相似物理學(xué)家事例，所以稱之為共振態(tài)。量子力學(xué)可以證明，這種共振現(xiàn)象的發(fā)生，是由于在這個能量附近，入射粒子與原子核結(jié)合，形成亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合核，經(jīng)過一定時間后，這種亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合核衰變?yōu)榻K態(tài)粒子，這種亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合核就稱為共振態(tài)。 共振態(tài)具有與穩(wěn)定強(qiáng)子相似的量子數(shù)，如自旋、宇稱、同位旋、奇點數(shù)、魅力數(shù)等，但可以通過強(qiáng)相互作用衰變，其壽命一般較短，為10-20s至10-24s。
1953年，意大利科學(xué)家費米（1901-1954）（左）和他的同事安德森（）（右）在美國芝加哥大學(xué)同步加速器上做實驗時，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子-介子體系中的第一個共振態(tài)。但當(dāng)時人們并沒有想到會有這么多的共振態(tài)。
1952年，美國物理學(xué)家格拉澤（左）建造了世界上第一臺氣泡室（右為格拉澤和他的氣泡室），在以太氣泡中顯示出宇宙線粒子的軌跡。此后，多個物理研究小組開始利用氣泡室進(jìn)行高能物理研究，并不斷研究和發(fā)展氣泡室技術(shù)。
氣泡室在高能物理研究中發(fā)揮了重要作用。人們首先在質(zhì)子-反質(zhì)子湮沒中發(fā)現(xiàn)了一些共振態(tài)，后來在各種反應(yīng)中出現(xiàn)了幾十、幾百種共振態(tài)。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們忙于尋找共振態(tài)，這項工作至今仍在繼續(xù)。由于對高能物理的杰出貢獻(xiàn)，格拉澤獲得了1960年的諾貝爾物理學(xué)獎。
說到共振態(tài)，就不得不提美國物理學(xué)家阿爾瓦雷斯（Luis ，1911-1988）（左圖）。由于阿爾瓦雷斯發(fā)展了氫氣泡室技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，才有可能發(fā)現(xiàn)許多共振態(tài)，這極大地促進(jìn)了粒子物理學(xué)的發(fā)展，使人們對物質(zhì)世界的研究進(jìn)入了一個全新的階段。
阿爾瓦雷斯于 1911 年 6 月 13 日出生于美國加利福尼亞州舊金山。他原本在芝加哥大學(xué)主修化學(xué)，但他認(rèn)為化學(xué)和數(shù)學(xué)都不適合自己，于是改學(xué)物理。阿爾瓦雷斯于 1934 年獲得碩士學(xué)位，1936 年獲得博士學(xué)位。隨后他進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校的輻射實驗室工作，勞倫斯（1901-1958）（右圖）擔(dān)任主任。
阿爾瓦雷斯參與了許多重大的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究項目，他領(lǐng)導(dǎo)的伯克利輻射實驗室成為核物理研究中心，費米當(dāng)時也在這里工作。
1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼（1929-）（左）提出，大多數(shù)基本粒子是由較新的粒子——夸克構(gòu)成的。他把夸克分為三類：上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s）。他說：“如果我們允許電荷為非整數(shù)值，那么我們可以構(gòu)造一個簡單而美麗的方案”，即上夸克、下夸克和奇夸克的電荷數(shù)分別為2/3、-1/3和-1/3。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成；中子由一個上夸克和兩個下夸克構(gòu)成。
蓋爾曼的夸克模型（右）被隨后的科學(xué)實驗證實，他因這一成就獲得了1969年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1974年，丁肇中（左一）和里希特（左二）各自發(fā)現(xiàn)了新粒子J/ψ，其質(zhì)量約為質(zhì)子的三倍。
其壽命比共振態(tài)長幾萬倍，原有的夸克理論已經(jīng)不能解釋新的實驗事實，于是引入第四種夸克——粲夸克（c）。
1977 年，美國科學(xué)家利昂·馬克斯（右圖）發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子由第五個更重的夸克——底夸克（b）組成。基于理論對稱性，物理學(xué)家預(yù)測應(yīng)該存在第六個夸克物理學(xué)家事例，稱為頂夸克（t）。
為了尋找頂夸克（t）的蹤跡，各國物理學(xué)家奮斗了17年。美國、西歐中心、德國、日本等國不惜重金建造大型高能加速器。美國費米實驗室的頂夸克小組對可疑夸克的運動軌跡進(jìn)行了數(shù)千次測量（右圖），終于在1994年4月26日找到了頂夸克存在的證據(jù)（左圖為示意圖）。
北京譜儀國際合作組新發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)是在分析J/ψ輻射衰變?yōu)橘|(zhì)子和反質(zhì)子的過程中發(fā)現(xiàn)的，即1974年丁肇中教授和教授發(fā)現(xiàn)的由一對正負(fù)粲夸克組成的J/ψ粒子衰變?yōu)楣庾雍瓦@個新的共振態(tài)，這個共振態(tài)又衰變?yōu)橘|(zhì)子和反質(zhì)子。J/ψ衰變研究是研究輕強(qiáng)子譜和尋找新粒子的理想物理過程。
分析結(jié)果顯示，這一新共振態(tài)的質(zhì)量為18.59億電子伏，寬度小于3000萬電子伏（左）。需要注意的是，它的質(zhì)量小于質(zhì)子和反質(zhì)子的質(zhì)量之和。此前，在分析北京譜儀改造前20世紀(jì)90年代初獲得的800萬個事件數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了這一共振態(tài)存在的跡象，但當(dāng)時由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)有限，還不足以判定它是一個新的共振態(tài)。
北京正負(fù)電子對撞機(jī)和北京譜儀于1999年初升級改造，整體綜合性能大幅提升。在隨后兩年的運行中，北京譜儀共獲取了5800萬個J/ψ事件，比國際上其他實驗組高出一個數(shù)量級以上（右圖）。北京譜儀國際合作組對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析研究，發(fā)現(xiàn)了新粒子，說明高統(tǒng)計量對新發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。
目前，已經(jīng)明確排除了用任何已知的共振態(tài)來解釋這一新共振態(tài)的可能性，從而確認(rèn)它是一種新粒子。由夸克和反夸克組成的粒子在粒子物理學(xué)中被稱為強(qiáng)子。此前實驗觀測到的強(qiáng)子都是由兩個或三個夸克（反夸克）組成的。
尋找多夸克態(tài)一直是國際高能物理實驗的重要目標(biāo)。在早期實驗發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種介子共振態(tài)和重子共振態(tài)中，尚無多夸克態(tài)的確鑿證據(jù)。近來，國際上多個實驗組對此進(jìn)行了探索并取得了重大進(jìn)展。北京譜儀國際合作組新發(fā)現(xiàn)的粒子由于其獨特性質(zhì)，特別是非常窄的寬度，很難歸結(jié)為通常的夸克-反夸克束縛態(tài)，因此被推測為多夸克態(tài)。一些物理學(xué)家認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)的共振粒子可能是重子-反重子束縛態(tài)，類似于氘核是質(zhì)子和中子組成的束縛態(tài)。
歐洲核子研究中心著名理論物理學(xué)家J.埃利斯在近期發(fā)表的一篇綜述國際高能物理在該領(lǐng)域研究最新進(jìn)展的文章中，高度評價了北京譜儀的發(fā)現(xiàn)及其對強(qiáng)相互作用理論發(fā)展的重要意義。國內(nèi)外物理學(xué)家正從理論和實驗兩個角度對這一新共振態(tài)的性質(zhì)和衰變特性進(jìn)行深入的研究和探討。
（相關(guān)資料由高能物理研究所研究部、《高中物理參考》等編著）