[提要] 1957年丁在纽约读书时才第一次知道光量子概念。1965年他在德国DESY开始电子对（e+e-）产生实验，研究p、ω、Φ等重光子（类点光子，即没有可分辨结构的光子），1971年开始在美国BNL用质子来寻找更多的重光子。这样，终于在1974年8月发现e+e-对集中在质量很高的3.1 GeV处形成一个宽度很小（0.07 MeV）的窄峰，经过反复检验，说明发现了一个真正的重粒子，并定名为J。接着SLAO的B. Richter小组又发现了J的姊妹态ψ′。同年12月份公布了J/ψ粒子的发现以后，轰动了整个物理学界。到1976年10月，他同Richter一起获得诺贝尔物理奖。J粒子的特点使人们想到，它可能是一对粲夸克对（Charm quark）的束缚态。现在我们知道：光子可以转化成重光子或J粒子，J粒子的存在说明至少需要4种夸克。能量更高时，还会有多少新的类光粒子、新的夸克呢？如果有一个庞大的夸克家族，它们又怎么可能是宇宙的最后积木块呢？
丁肇中是美国麻省理工学院物理学教授。国外评论他思想活跃，勇于打破偶像。他1936年出生于美国，在美国受教育，后来又去法国工作过，利用了各方面的实验条件。本文是他1976年12月11日在瑞典斯德哥尔摩同B. Richter博士分获诺贝尔物理学奖金时发表的演讲，原载美国《科学》杂志，第196卷第4295期（1977，6，10），译文有所删节。
光子和重光子
研究光和物质的相互作用，是物理学中最早知道的课题之一。《墨子》（公元前四世纪时中国周朝墨家的书）中就有这方面的事例。20世纪物理学的许多重大的基本发现都与研究光线有关。W. C. Rōntgen就是由于发现X射线而于1901年获得了第一次诺贝尔物理学奖金。
在现代，Dirac的工作使我们认识到用高能光量子产生电子一正电子对的可能性。在理解光子和电子的相互作用方面，W. E. Iamb和R. C. Retherford的工作迈出了关键性的一步。由于朝永振一郎、J. Schwinger和R. Feynman、F. J. Dyson、V. F. Weisskopf等人提出了量子电动力学的精致表述，结果产生了可以计算一个电子本征电磁场的各种可观察效应的方法。
在过去10年里，由于建造了巨型电子加速器，研制了能把电子同其他粒子区别开来的复杂探测器，最后还建立了电子 - 正电子碰撞粒子束存储环，大大增进了我们对极高能光量子跟基本粒子相互作用本质的认识。而对光和类光粒子（所谓矢量介子，即重光子）之间的相互作用的研究，结果终于发现了一族新的基本粒子——J粒子就是这个家族的第一个成员。
1957年夏天，我在纽约当暑假班学生，偶然得到了Herzberg的古典著作《原子光谱和原子结构》，我从这本书中第一次知道光量子概念和它在原子物理学中所起的作用。大学毕业前夕，我收到父亲送我的圣诞礼物：Akhiezer和Berostetskii合著的《量子电动力学》一书的英译本。在密执安学习期间我仔细研读了这本书，并自己算出了书中的某些公式。后来我在哥伦比亚大学任教的年代里，我饶有兴趣地读了Drell的一篇论文。他指出用高能电子加速器在短距离上对量子电动力学（QED）所做的各种检验的含义。对于怎样把某一类Feynman图从3个μ介子的μ介子的产生中分离开来，我同Brodsky合作进行了理论计算。
1965年10月，我受德国汉堡德意志电子同步加速器研究中心（DESY）主任W. Jentschke的邀请，做了我的关于e+e-产生的第一个实验。
我的小组从观察ρ→e+e-衰变开始，对这个题目做了一系列的实验。重光子ρ、ω和Φ基本上是π+π-(ρ)、π+π-π0(ω)和K+K-或π+π-π0(Φ)的共振态，寿命相当短，典型值≈10-23至10-24秒。这些粒子的宽度为Γρ≈100 MeV，Γ∞≈10 MeV和ΓΦ≈5 MeV。它们全都具有量子数J（自旋）=1，C（电荷共轭）=-1，P（宇称）=-1。在这方面它们是相同的。可见，它们除了质量重之外，完全跟普通的光线一样。它们的质量为mρ≈760 MeV、mω≈783 MeV和mΦ≈1019.5 MeV。
这种由光子碰撞核子和核靶而产生重光子的现象表现为一种衍射过程，酷似光按古典方式被一个黑盘散射。重光子的光生实验以及对重光子的e+e-衰变反应的观测，测量了每个重光子和光子间的耦合强度。来自重光子衰变的e+e-终态和由QED所得e+e-之间的干涉量度了重光子的产生振幅。这些振幅间的干涉可以看作一个简单的古典双缝实验。在这个实验中，我们把一块薄的玻璃放在一个缝隙的前面（相当于γ→ρ→γ→e+e-），从而扰动此干涉图形。单单QED的电子对相当于光在没有玻璃时从缝隙前面通过的情形。ρ（2π）→e++e-与ω(3π)→e++e-间的干涉和ρ(2π)→2π和ω(3π)→2π间的干涉是电磁相互作用中同位旋不守恒程度的量度。
在这些实验过程中，由于ω的宽度约为10 MeV，Φ的宽度约为5 MeV，因此我们研制了一个质量分辨力约为5 MeV的探测器。
在有些测量中，事件率低。特别在我们研究处于比ρ和ω介子大的质量域中的e+e-质谱的实验里，当加速器开足时，e+e-对的产额约为每天1个事件。这就是说，整个实验室大约有半年光景一直专门只做这个实验。每天1个事件的事件率还意味着，往往2、3天没有事件，而在另外的日子里我们却得到了2、3个事件。正是在这个实验的过程中，我们形成了每30分钟用手工把全部电压检查一遍和每24小时通过测量QED产额来校准一次能谱仪的传统。为了确保探测器工作稳定，我们还建立了物理学家跟班的惯例，甚至当加速器关机维修时也跟班，我们还从来不切断电源。这样做的最终效果是，我们的计数室多年来有着跟实验室其他部分不同的基础制度。
如果我们假设，世界有三种称为夸克的基本积木块，它们结合起来形成各种基本粒子，那么，上述各个实验所得出的种种定量结果就可以部分地获得解释。光子、重光子和核物质之间的相互作用是各种夸克相互作用的结果。
Sakurai第一个提出，基本粒子的电磁相互作用可以看作是通过重光子（矢量介子）中间态而进行的。
新粒子
我们经过多年的工作后，知道了怎样操纵具有负载循环2≈3%、每秒约1011γ射线的高强度粒子束。并同时采用一个具有大的质量接受区和ΔM≈5 MeV的良好的质量分辨的探测器，
4）对于一个接受区有限的探测器来说，总是有一个把它安置在哪里最有利于寻找新粒子的问题。事先我们不知道怎么办。但我们知道，产生普通强子的反应中，当它们在质心系中静止地产生时，产额最大。如果我们进一步局限于新粒子的90°e+e-衰变，那么，我们便迅速得出结论：对于能量为28.5 GeV的入射质子，衰变出来的e+或e-在实验室系中以14.6°角射出，而与该衰变粒子质量无关。
在建造我们的能谱仪的过程中，而且在整个实验过程中，我受到了很多批评。问题在于为了达到良好的分辨力，必须建立一个非常昂贵的能谱仪。一位有名望的物理学家曾评论说：这种能谱仪只适用于寻找窄共振——而现在没有窄共振。尽管这样，因为我一般不太相信理论论证，所以我决定按我们原来的设计制造。
1974年4月我们完成了实验的准备工作，并开始引入一个强大的质子束。我们立刻发现，我们计数室里的辐射强度达每小时0.2伦琴。这就是说，我们的物理学家们在24小时内将要接受最大允许的年剂量。我们为了寻找原因而千辛万苦地探索了二、三个星期，大家开始为我们能否进行这项实验而忧心忡忡。
一天，自1966年以来一直同我共事的U. Becker在一个盖革计数管附近踱步时，蓦地发现，辐射大都来自屏蔽坡一个特定的地方。我们经过仔细深入的调研后发现，纵使我们已经用了10,000吨混凝土屏蔽坡，但最重要的区域——粒子束制动器的顶部——却仍然根本没有被屏蔽！经此纠正之后，辐射强度降到了一个安全值，这样我们就可以进行实验了。
我们从4月至8月进行例行的调谐工作，发现探测器工作性能符合设计要求。我们可以运用每秒1012个质子。小型电子对能谱仪也工作正常，这使我们能够用纯电子束来校准探测器。
由于探测器很复杂，因此要6个物理学家去操纵。为了确保全部探测器均接近百分之百地有效，我们在采集数据前大约花了100个小时。
1974年初夏，我们在4至5 GeV的大质量域里采集了一些数据。然而，对这些数据所做的分析表明，只有为数极少的电子一正电子对。我们在8月底调谐了磁铁使之接受2.5至4 GeV的有效质量。我们立即看到了干净的和真正的电子对。但是，最令人惊愕的是，e+e-对大部分集中在3.1 GeV处而形成一个窄峰（图1a）。比较仔细的分析表明，其宽度小于5 MeV（图1b）。
这些年来，我在组内建立了一些有关对我们的数据和数据分析作实验检验的工作的惯例。现略举几例。
1）为了确保我们观测到的峰值是真正的效应，而不是仪器偏差或者计算机读出误差造成的结果，我们还另外采集了一组较小磁铁电流上的数据。这具有使粒子跑进探测器各个不同部分的作用。当此峰值保持3.1 GeV不变时（图1a），便立即说明已经发现了一个真正的粒子。
2）我们采用两套截然不同的程序来确保数据分析正确无误。这就是说，两组物理学家各自独立地从简约原始数据磁带开始，分析数据，进而制成他们自己的数据总计磁带，然后再做以下几项操作：两组Monte Carlo验算，两组事件重建，两组数据纠错，最后则是得出两组必须相互一致的结果。虽然这样做使花费的计算机时间加倍，但是在独立进行的两路达到了相同的结论以后，我们对自己的结果更加放心了。
3）为了理解各种二阶背景纠错法的本质，我们做了几项专门的测量。
4）为了理解新峰值各个产生性质的本质，我们把靶的厚度增加到为原来的2倍。结果产额增加到原来的2倍，而不是原来的4倍。
这些检验和许多其他别的检验都使我们确信，我们已经观测到了一个真正的大质量的粒子。我们费了一些时候来讨论这个新粒子的名称。有人向我指出，真正激发的稳定粒子是用拉丁字母命名的像假设的W?、中间矢量玻色子、Z°，等等——而“古典”粒子则以例如ρ和ω的希腊字母来命名。据此，再考虑到我们过去10年的工作一直集中在电磁流jμ(x)上面，我们就产生了将此粒子称为J粒子的想法。
在为V. F. Weisskopf退休举行的仪式上，我考虑着我们成果的发表问题。Weisskopf在我们大量实验的过程中曾给予很大的帮助，仪式在1974年10月17日和18日举行。我出于两个原因而把成果的发表延搁了下来。第一，由质子一质子碰撞来生成大质量e+e-对，据揣测是通过一个分两步的过程来实现的：p+N→π+……，其中π介子再经受第二次碰撞π+N→e++e-+……。这可以通过根据靶的厚度所进行的测量来加以检验。一个两步过程的产额将随着靶厚的增加而按平方律增加，而对于一步过程，此产额则是线性地增加的。这已迅速地做了，为以上4所述。
最重要的是，我们了解到，Brookhaven早先曾测量过在核子 - 核子碰撞中直接产生的μ介子和π介子，给出了μ/π比为10-4。这是一个不可思议的比值，它在交叉存储环中从2000 GeV到30 GeV似乎都未改变。这个值比根据已知的3种矢量介子ρ、ω和Φ从理论上预言的值要大1个数量级，它们在当时是强相互作用和电磁相互作用之间的仅有的可能的“中介”。我们于是将J介子加于这三者之上，发现这4种矢量介子的线性组合也不可能解释μ-/π-比。我将此看作一种征兆：激动人心的东西也许就在这里。于是，我决定，我们应当直接测量这个数字。因为我们不可能用我们的能谱仪来测量此μ/π比，所以我们决定考查研究e-/π-比的可能性。
我们开始进行各种测试以了解在做e/π实验时所涉及的各种问题。最重要的测试是，不同的e-的动量作为入射质子强度的函数，以检验单臂背景和计算机的数据记录能力。
11月7日星期三，我们对能谱仪做了大变动，着手寻找更多粒子的新实验。我们先是自己来测量这个不可思议的e/π。我们改变电子逻辑和靶，将入射质子束强度减小差不多2个数量级。为了鉴别π0介子衰变引起的e-背景，我们在能谱仪前面放上薄铅转化器以提高γ→e++e-转化力。我们借助这些转化器以及直接测量π→γ+e++e-的CB计数管就能够控制大部分的e-背景贡献。
他们后来又在较小的质量上系统地探索更多的粒子，但一无所获。
在J粒子发现之后，由于它质量重和寿命特别长，人们立即纷纷揣测这种粒子的本性。Lee、Peoples、O'Halloran和合作者们用约100 GeV的光子束从核靶上相干地通过光生作用产生了J粒子。他们表明，J粒子的光致产生同P粒子产生非常相似，从而首先确定了J粒子是强相互作用粒子。
Pilcher、Smith和合作者们独创地用一个大接收区能谱仪在>100 GeV的能量上对J粒子的产生进行了精确而又系统的研究。通过利用π介子束和质子束，并通过测量宽的质量范围和μμ产生对动量传递的依赖关系，他们率先指出，产生那个我长期大惑不解的不可思议的μ/π=10-?的单个μ介子的产额大部分来自μ介子对的产生。来自π介子的J粒子产额似乎远比来自质子的产额为高。
后来的一些发展
J粒子的发现已经导致了大量新发现。最重要的实验工作有一部分是在SLAC和DESY进行的。
利用称为冥王星的4π超导磁铁探测器测量接近首先在SLAC发现的ψ（J粒子的姊妹态）的质量的e++e-→强子的最新结果。Ψ′的（和J的）产额增加了>102。可以看到，研究这些新粒子的理想机器是电子 - 正电子存储环。同一小组最近在较高的质量域里仔细地探索新的粒子。他们的精确结果证实了SLAC关于在这个大质量领域中还可能有更多状态的预言。
J粒子的宽度窄以及Pc粒子和许多其他状态的存在强烈地提示人们，J粒子可能是两个新夸克的束缚态。Bjorken和Glashow以及Glashow等人首先提出粲夸克的存在，它原来是作为解决强子弱相互作用中的某些困难的一种办法而提出来的。实际上，所观测到的状态的能级酷似Deutsch在1951年发现的正电子偶素态。
Brookhaven、DESY、Fermi实验室和SLAC关于存在更多窄状态的实验，最近出现了一些非常符合Glashow的一般预言的迹象。
结 语
在结束的时候，我们可以提几个进一步的问题。
1）我们现在知道，光子转化成了具有质量约1 GeV的ρ、ω和Φ介子。它能够转化成具有质量约为3至5 GeV的J粒子及其各个协同态。当我们向更高的能量进军时，会怎么样呢？似乎完全可能的是，应当还有许多新的系列的类光粒子存在。
2）J粒子的存在意味着，我们至少需要4种夸克来解释迄今观测到的现象。如果我们在更高能量域里又发现了一系列新的粒子，那么，我们还将需要多少夸克呢？
3）如果我们需要一大族夸克，那么，它们是否就是自然界真正的基本积木块了呢？它们为什么还一点没有被发现呢？
（周昌忠译，殷鹏程校）