[提要] 1957～61年Richter在建造电子－电子存储环的过程中想到，可以通过电子－正电子的湮没观测强子的产生。此后他到SLAC开始设计e⁺e^-粒子束碰撞存储环，即后来的SPEAR，由此走上了发现ψ粒子的道路。

到1974年7月，因为e⁺e^-碰撞数据太少，成为理论预言还十分混乱。在SPEAR上的强子产生截面出现ψ（3095 MeV）和ψ'（3684 MeV）的窄共振峰，表明这是两个长寿命粒子，不能用已有的强子模型解释，但它们本身又是一种强子。在ψ和ψ的衰变产物中，还有从3415到3550 MeV 4、5种中间态。而进一步扩大能量尺度，还可以在跃迁区中观测到2、3个共振态——ψ″(3950)、ψ′″(4100)、ψ″″(4400)。这样，总共有11个ψ粒子，形成一个庞大的ψ子族。

对于这个新的电子偶素（一个电子和一个反电子的束缚态）系统的作用，要用到夸克模型。1974年以前已知的强子都可以纳入夸克三重态方案，ψ和ψ′冲破了这个优美的模型。第四个夸克——粲夸克的存在——可以更好地解释ψ质量大、寿命长的特点。1976年观测到D介子，证明了粲粒子的设想。总之，最近两年来的实验，有力地支持了关于强子亚结构的四夸克模型，它当然并没有穷尽一切夸克本身又是怎样构成的？这就要由下一代的e⁺e^-粒子束碰撞设备来回答。至于如何建立各种相互作用的统一图景，还需要更高得多的能量。

B.Richter是1931年生于纽约，1956年开始在斯坦福大学工作，现任SLAC的教授。本文是他1976年12月11日在瑞典斯德哥尔摩接受同丁肇中博士分获的诺贝尔物理学奖金时发表的讲演，原载美国《科学》杂志第196卷，第4296期（1977年6月17日），译文有删节。

正好25个月以前，丁教授的小组和我的小组突如其来地向基本粒子物理学宣布了ψ/J粒子。在基本粒子物理学中，多年没有过这种不可思议的、完全出乎意外的事件了。十天以后，我的小组又发现了第二个ψ粒子，基本粒子物理学界的激动情绪更加强烈了。人们早就在等待发现一点什么可以提示认识基本粒子正确方向的东西，因此随着这个发现，理论文章便像洪水一般地涌来，淹没了翌年的刊物。

我相信，我的同事和我在ψ粒子发现以后两年中所做的实验，已经从所有相互竞争的解释中选出了大概正确的一种。我现在要论述的正是这些实验。这个迅速的进展，是由于电子 - 正电子碰撞技术的威力。

碰撞粒子束

我于1956年完成了在麻省理工学院的研究生学业，那年秋天进Stanford大学高能物理实验室（HEPL）供职。我当时的主要研究兴趣，是探索量子电动力学（QED）的大动量传递，即短距离特性。我原先的QED实验计划，是打算用HEPL的700 MeV电子直线加速器研究电子 - 电子散射。但很快我就认识到，用光致产生电子－正电子对的实验，不但技术上更简单，还能更深入地（虽然多少有些不同地）探索QED。我在HEPL的一年里，做了后一种实验。在这个实验里，这种粒子对中有一个粒子在一个大角度上出现。这个实验成功地证实，QED直到10^-3厘米的短距离上仍然有效。

Stanford-Princeton电子 - 电子存储环 1957年，电子 - 电子散射实验的思想又复活了，虽然已大为改观。这时普林斯顿大学的G. K. O'Neill非正式提出，建议HEPL建造一组8字形存储环。当O'Neill要我参加这项工作，我热情地接受了，成了一个加速器建造者和实验员。我们同W. C. Barber和B. Gittelman二人合作，1958年开始兴建一个大型存储环，预期大概要三年可以获得第一批实验成果。事实上，七年以后，这批成果才刚刚在望，因为对存储环中粒子束的行为还很不了解。不过，在这段漫长的屡遭挫折的岁月里，我们所了解到的东西却为基本粒子物理学开辟了一个新的领域。

认识的转机 1959年，HEPL的存储环的工作在进行之中，我同时还在Stanford的理论家Bjorken的指导下，想学会计算QED中的截面。Bjorken布置给我的问题之一是计算在电子 - 正电子湮没中一对零自旋的点状粒子（玻色子）的散射截面。我进行了这项计算，但是我感到烦恼，因为还不知道有类点玻色子存在。我所知道的唯一的零自旋玻色子是π介子，而这些粒子所经受的强相互作用使它们具有有限的尺寸。我认识到，为了说明这个有限尺寸，粒子的结构函数必须进入到截面中去。π介子的结构函数可以通过导致产生π介子对的e⁺e^-湮没的实验来测量。并且，任何强相互作用粒子（强子）族的结果都可通过测量它们在e⁺e^-湮没中的产生截面来测定。当然，很多人早已认识到这一步，但这在当时对我们来说是一个新发现，使我坚定地踏上了最终导致这个演讲的征途。

电子－正电子湮没过程 e⁺e^-湮没和强子之间的联系，对于后文要说的实验成果来说，至关重要。电子 - 正电子碰撞中用以产生新粒子的方法是特别简单的一种，我总是这样朴素地描述：只有当一个粒子和它的反粒子发生碰撞时，才可能出现这种独特的湮没过程。这个过程分两步进行：

1）粒子和反粒子并合，给它们以个性的一切属性统统消失。短时间内就产生一个极小的电磁火球，它的能量密度极大，量子数精确限定为J^pc=1^--；其余一切量子数都消失为零。

2）然后火球中的能量重新物质化为新生成粒子的任意组合，它满足两个判据：（i）生成粒子的总质量小于或等于火球总能量；（ii）生成粒子的总量子数与火球的量子数相等。构成此终态的个别粒子不受任何限制，只是它们的总和受限制。

在e⁺e^-湮没过程中，开始形成了火球或虚光子中间态，QED对此已有描述，这个理论的预言已为每一实验所证实。因此，我们认识了第一步火球的生成，某种意义上也是在用已知的e⁺e^-湮没过程探究第二步所产生的未知的强子。这样，我们不知道的只限于终态强子的结构，只限于粒子相互靠近地产生时的终态相互作用。这种无知，虽然也很严重，但比任何其他的粒子产生过程中的状况要好得多了。此外，e⁺e^-湮没中的终态量子数非常简单，可以指望根据我们的理论模型加以计算。这同高能强子一强子碰撞适成鲜明的对照。这种碰撞中可能有很多不同的角动量态，必须加以计算。

SPEAR电子-正电子存储环 1961年，HEPLe^-e^-存储环上的工作继续进行时，我同Stanford的D. Ritson着手准备设计一个更大的e⁺e^-存储环。1963年，我离开HEPL到Stanford直线加速器中心（SLAC），建立了一个小组来进行这个e⁺e^-环的最后设计工作。设计能量选定为每一粒子束3 GeV。1964年完成了这种碰撞粒子束机器的初步建议，1965年完备的正式计划提交给美国原子能委员会（今能源研究开发署）。

此后，直到这项建议的计划能够获得资金之前，又有一段大约五年的时间。在此期间，其它小组也逐步认识到e⁺e^-碰撞粒子束技术的研究潜力，并有好几项工程开始兴建。我们羡慕地看着这些工作，修改我们自己的设计，并试图吸取其它小组提出的一切好设想。最后在1970年，我们经过精简的、现在叫做SPEAR的计划获得了资金，于是我们全力投入，并设法以创纪录的时间建成了它——从施工到第一次粒子束碰撞，大约花了21个月。

早期实验结果

我想简单回顾一下新粒子发现前夕的情况，为描述从ψ到粲的历程作好准备。1974年最重要的一次国际高能物理学会议于7月在伦敦举行。我在伦敦会议上发表了谈话，试图概括说明到那时为止对e⁺e^-湮没中强子产生过程的认识。这个资料示于图1，需要稍加说明。

强子/μ介子对分支比 测量e⁺e^-→强子过程，可以简单地表示为一个描绘强子产生截面与e⁺e^-碰撞系统的质心系（CM）能量之间的关系图。由于我后面将要说明的原因，用下列的比取代图中强子产生截面已经成为通常的做法：

图1中描绘的对于质心系能量的图就是分支比R。历史上最早的R测量是在Frascati的ADONE存储环上进行的；这些测量在图中的较低能域里进行，它们给出R的值为从小于1到6左右。接着进行两次重要的R测量是在哈佛大学的剑桥电子加速器（CEA）经过改建而建立的存储环上做的；CEA的测量给出的R值，在4 GeV的E质心系上约为5，在5 GeV上为R=6。SLAC-LBL在SPEAR上做的早期实验的结果前后一致地填补了ADONE和CEA两者结果之间以及从CEA所得的两点之间的空白部分。这就是说，SPEAR的数据看来将ADONE和CEA给出的较低能区时的数据和较高能量区数据光滑地连接了起来。除了最低能量上的实验点以外，图3所反映的情况是，当E质心系从约2 GeV增加到5 GeV时，R的值似乎光滑地从约2上升至6。

理论预言 在1974年同一次伦敦会议期间，OERN（欧洲原子核研究中心）的J. Ellis也概括了e⁺e^-→强子过程，从理论角度作了补充。许多不同理论所作的各种预言，仍然可以很方便地用强子/μ介子对分支比R来表达，而不用直接表述成强子产生截面。当时最通行的强子理论是预言R=2，但别的理论也不少，说明了1974年夏天出现的极端混乱的状况。混乱的原因是e⁺e^-数据太少，而且从基本粒子物理学的任何部分都难找到方向正确的实验线索。这个线索恰好就在下一个转折点上，但这个转折点本身却好像是这条路上一个怎么也料想不到的拐角。

psi粒子

psi共振宽度 图2示出SPEAR上的强子产生截面，其中ψ和ψ′的巨大共振峰显然占优势。这两个峰极窄，表明这是两个寿命非常长的状态，也是不可能用以前取得成功的强子结构模型加以解释的主要原因。

如果ψ粒子是普通的强子，则预期的宽度为这些粒子的质量的20%左右。由此可见，这些新状态比根据普通模型所预期的要窄几千倍。

psi量子数 由于新ψ态是直接在e⁺e^-湮没中产生的，也由于它们衰变成e⁺e^-和μ⁺μ^-的机率相等，它们的量子数预期为J^pc=1^--，结果，这两个ψ态都可以确定为J^pc=1^--。

psi衰变型 我们也来研究一下ψ和ψ′的许多衰变型。这个研究显然是要区别开直接的衰变过程和“二级”衰变过程。

我们已测得ψ和ψ'对于某些特定强子衰变道的分支比要比对任何其它粒子的测量为多。这些大都只是专家们感到兴趣，但少数也告诉了我们许多有关ψ粒子的东西。二级电磁衰变也使这些分析复杂起来，因此我们又得对μ介子对产生和特定强子终态产生两者在共振峰内和共振峰外进行比较。根据已知数据，ψ衰变是受某个已知仅仅支配强子行为的选择定则（G宇称守恒）所支配的，从而表明ψ本身是一种强子。

中间态

辐射跃迁 在ψ和ψ'的衰变产物中，还观测到了其他与它们有关但不是在e⁺e^-湮没中直接产生的新状态。更具体地说，这些新状态是在ψ或ψ′通过发射γ射线而发生衰变时产生的：

ψ或ψ'→γ+中间态。

实验上至少已经观测到4种（或5种）以这种方式产生的独特的中间态。

第一个观测，是在汉堡DESY（德意志电子同步加速器研究中心）实验中心的Doris e^-e^-存储环上国际合作进行的。这种状态命名为P_c，求得的质量约为3500 MeV。这同一个小组与在DESY工作的另一个小组一起合作后来发现在约2800 MeV上有存在另一种可能状态的证据，他们称之为x。SLAC-LBL小组在SPEAR上鉴别出质量约为3415、3450和3550 MeV的状态，证实了DESY的3500 MeV状态的存在。我们给质量介乎ψ(3095)和ψ'(3684)之间的状态取名x。这些新状态综述如下：

ψ'(3684)→γ+x(3550)

ψ(3684)→γ+x(3500)或p_e

ψ'(3684)→γ+x(3455)

ψ'(3684)→γ+x(3415)

ψ(3095)→γ+X(2800)（尚未确证）

概言之，这些研究导致原始的ψ和ψ'粒子又增添了四种（2800 MeV状态还处于边缘）新的中间态，它们均具有电荷共轭C=+1。

总截面和较宽状态

总截面 我们对e⁺e^-→强子过程的讨论，到此为止主要是关于直接在e⁺e^-湮没中产生的两个ψ粒子，也涉及不是直接产生而仅仅出现在ψ和ψ'衰变产物中的中间态。现在我们还要进一步扩大我们的视野，看看在强子产生图景中还能知道些什么。

图2示出在SPEAR所能达到的整个CM能量范围里e⁺e^-→强子过程的总截面。此图中ψ和ψ'的共振峰占优势，在这些共振峰外面可能观察到的其他截面结构是微乎其微的。我们用另外的图（图略）可以看到：在约3.8 GeV以下，R处于一个大致不变的坪上，值≈2.5；在约3.8 GeV和可能为5 GeV之间是一个复杂的过渡区，这里有着重要的结构；在5.5 GeV以上，R又处于一个大致不变的坪上，其值≈5.2 GeV。

较宽的（ψ的？）状态 大大扩展的能量尺度示出的过渡区中（图略）清楚地表明，在上下两个坪区连接起来的上升的背景曲线上，似乎迭加有若干单个的共振态。一个状态十分鲜明地突出在3.95 GeV的质量上，而另一个则在约4.4 GeV上。4.1 GeV附近的区域异常复杂，但很可能是由2或更多个重迭状态组成的。

在这种过渡区中的这几个状态的性质，很难作任何精确的测定。一个明显的问题是，这些共振态迭于迅速上升的背景之上，而后者的正确形状目前既无法用实验来确定，也不可能从理论上加以计算。这些新状态像ψ粒子一样是直接在e⁺e^-湮没中产生的，因此它们全都有J_pc=1^--，并因为新的粒子产生阈几乎肯定就在此处于上下两个坪之间的过渡区里，所以彼此间便可能发生干涉，从而使正常地预期的古典共振形状产生畸变。我们虽则不能给出这些新状态的精确性质，但是还可以根据现有的数据得出一些粗略的数据来。3.95 GeV状态（ψ″）具有40至50 MeV的宽度。4.4 GeV（ψ′″）的宽度似乎约为30 MeV. 4.1 GeV区域（暂时称为ψ′″）似乎至少是由两个共振峰组成的：一个在4.03 GeV上，宽度为10至20 MeV，另一个是在4.1 GeV上宽的增强峰，宽度约100 MeV。

所有这些状态的宽度远大于e⁺e^-束中的内禀能量歧离，也远大于ψ和ψ′粒子的宽度。然而，下述两点还是令人怀疑的：这些状态仍旧可以正确地看作为中粒子序列的成员，以及它们同ψ和ψ′粒子之间宽度之悬殊可以简单地归因于这些较大质量状态可能通过新开辟的超过ψ′粒子的3684 MeV质量的途径而发生了快速强子衰变。跟该过渡区问题上存在的大多数疑问一样，这个问题的解决将要求我们进一步开展大量的实验研究。不过，我们与此同时将尝试性地把上述的三或四个新类ψ粒子状态增补入“ψ子”族的不断增加着的成员表之中。

理论漫谈

到此为止，我们对新粒子分类时，并没有怎么考虑这样做的全部含义。如果把这几个成问题的状态也姑且假定为真正的粒子，我们总共就有了11个新粒子。图3把它们编在一起，用一种能级图表示，也把各个主要的衰变型包括进去。图3所示系统连同其辐射跃迁，看来酷似一个简单原子的能级图，实际上像一个最简单的“原子”——电子偶素，即一个电子和一个正电子的束缚态。这种新的电子偶素比起旧的来，尽管质量要大得多，但这个新系统的各种状态，还是可以跟e⁺e^-一类费米子 - 反费米子束缚系统的各个预期能级一一对应起来。表1表明这些预期的能级以及新粒子在各个相应能级上的最可能的安排。为了查明这个新电子偶素系统的起因，让我们来看一些具体的理论模型。

三夸克模型 大约25年前还只知道三种强子（质子、中子和π介子），那时一般都认为这些粒子是简单的和不可分的基本客体。强子物理学当时的中心任务是力求认识质子和中子之间交换π介子的强核力。但是，随着强子族逐步扩大（它们现在已数以百计），越来越难以把它们全部看作是基本粒子。M. Gell-mann和G. Zweig在1963年各自独立提出了一个摆脱这个困境的办法——没有一个强子是基本的，它们本身都有复杂的结构，都是由三种叫做夸克的基本实体的不同组合而构成的。这些夸克假定都带有费米子平常的半整数自旋，但也有分数电荷和分数重子数等不平常的性质。表2简单列举了三种夸克、三种反夸克以及它们的性质。

按照这种三夸克模型，一切介子都由一个夸克和一个反夸克构成；一切重子则由三个夸克构成；而一切反重子则由三个反夸克构成。这里举一些比较熟知的强子的夸克组成为例：

这三种预言的状态事实上已经全部发现了，这就是人们熟悉的ρ(760)、ω(780)和Φ(1005)三种矢量介子。

夸克模型中的R 这种夸克模型假设了一种与前述的稍有不同的e⁺e^-→强子过程的机制。试比较：

第四个夸克 以四夸克而不是三夸克为根据的理论的最早文献，要上溯到1964年，即Gell-mann和Zweig提出原来的三夸克方案只有大约一年以后。当时更多是出于美学的动机，而更少出于实用的动机，由于缺乏能比三夸克模型解释更多东西所需的实验事实，这个模型日渐衰亡了。1970年Glashow等人在一篇简洁的文章中论述了弱相互作用而不是强相互作用，由此四夸克模型又起死回生了。在这篇著作中，Glashow用他早先取名为“粲”夸克（c）的第四个夸克，以非常简单而直接的方式解释了奇异粒子为什么不发生某些弱衰变。这个新的c夸克假定跟u夸克一样具有+2/3电荷，还带有一个+1单位的前所未知的粲量子数。它在强相互作用和电磁相互作用中都守恒，而在弱相互作用中不守恒。

粲粒子的发现

我们在寻找什么？ 到1976年初，寻找中的粲粒子必须有些什么性质，我们已经知道了不少。例如，其中最轻的粲D介子的质量显然一定在这个范围中：

1843<m_D<1900 MeV

只要记住：ψ'（3684）非常窄，不可能衰变成粲粒子，而且上限必须与R从下坪升到上坪的起点相一致，那就可以得出此下限。c夸克的主要衰变产物，由于一些人不得不相信的原因而假定为S夸克，因此，粲粒子的衰变产物必然优先包含K介子等奇异粒子。举例来说，粲D介子可以有把握预期具有以下几种可资鉴别的衰变型：

D?→K^-π⁺

D?→K^-π⁺π^-π⁺

D⁺→K^-π⁺π⁺

与粲粒子模型预言的值相比，这个分支比小了一些，但没有什么了不起。所测得的该共振态的宽度与我们的设备的分辨力相一致，而分辨力现在取决于探测器的动量分辨力，而不是比较精确的回旋粒子束的能量分辨力。测得的全宽度的上限约为40 MeV；实际的值很可能要小得多，正像D介子的弱相互作用衰变所要求的那样。

通过继续分析这些数据，又获得两项更有说服力的发现。第一个是K⁺π^-π⁺π^-或K^-π⁺π^-π⁺中的共振态，它看来像是D⁰介子的另一个的衰变型，因为其质量也是1865 MeV。第二个是发现了D⁰介子的荷电的伴粒子，它们是在下列衰变途径中在稍大些的1875 MeV质量上观测到的：

D⁺→K^-π⁺π⁺

D^-→K⁺π^-π^-。

这些荷电D状态的数据示于另图（图略）。指出这样一点是重要的，即当两个π介子带的电相反时，这样状态没有在下列三体衰变中观测到：

D⁺→K⁺π^-π⁺

D^-→K^-π⁺π^-。

这正是粲夸克模型所要求的。除了这两种清楚地鉴别出来的中性和荷电D介子外，还发现了这种介子的一个激发态（D*），并观察到它通过强相互作用和电磁相互作用而衰变成基态：

D*→D+π

D*→D+γ。

我们已经多次指出，质量超过ψ'(3684)粒子的类ψ粒子的状态，其宽度有可能远远超过ψ和ψ'粒子，因为这些状态能够大量地衰变成粲粒子对。因此，令人感兴趣的是，这种揣测现已在ψ′″(4030)粒子的情形里得到证实。事实上，这种粒子现在看来有下列几种主要衰变型：

结论和问题

过去两年来的电子 - 正电子粒子束碰撞实验，我相信已解决ψ粒子意义重大的问题。粲子偶素族、R的两个坪、粲阈以上的宽共振态、粲粒子本身、粲粒子弱衰变的证据以及喷射粒子流的存在——所有这一切，都极其有力地支持了关于强子亚结构夸克模型和这一模型的四夸克理论的思想。在我看来，夸克模型最值得注意的特点之一，是以最浅显的计算正确解释了有关强相互作用粒子的大量数据。例如，借助于利用简单势函数的非相对论性Schrōdinger方程，计算了粲子偶素光谱。R的两个坪和喷射粒子流结构的解释则利用了强相互作用粒子的终态相互作用可以忽略不计这一假设。为什么竟然那么简单，同时夸克本身看来又都束缚在强子里面，从未见到过自由态的夸克，这是强相互作用物理学的中心问题之一。

在这个问题上，有两个思想派别。一派认为：这个夸克系统是完备或接近完备的，虽然可能还有为数不多几个夸克有待发现；确实存在包括现有四个夸克在内的少数几个不可分的成分；一切强相互作用粒子均由这些基本的不可分的成分构成。另一派则认为：夸克本身很可能是由某种更小的东西构成的，我们将来永远不断地从每一个较大集团中寻求下一层次中越来越小的实体。

有关粒子结构的这样那样一些问题，现在正在DESY和SLAC兴建的下一代e⁺e^-粒子束碰撞机器可以回答，这些机器的质心系能量将达到35至40 GeV。这些机器上的实验，将在四到五年内开始，它们会迅速告诉我们新R坪、新“偶素”或新轻子的存在。

还有一系列甚至更为基本的问题，我觉得比夸克的数目问题更有味道，任何在目前兴建的加速器上进行的实验，可能都将无法回答。这些问题只能通过可能存在的引力、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用这些自然力的统一图景来解决。Weinberg和Salam最早地建立了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论模型。还有人试图建立弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的统一图景——比Weinberg-Salam模型更为基本，但这个问题更加困难，还只是开了个头建立这些统一图景所需要的实验资料，可以肯定需要更高的能量：在质心系中，我相信还在e⁺e^-系中达到几百GeV。如果这样的统一图景在非常高能量上是正确的，那么，我们唯一正确的场论也即量子动力学，必将被推翻，我在兜了一个圈子以后，又将回到我作为一个独立研究者想做的第一个实验。

（周昌忠译，殷鹏程校）