证明
经过两年的努力,盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”,后来缩写为“kworks”。之后不久,他在詹姆斯·乔伊斯(JamesJoyce)的小说中中读到一句“三声夸克(threequarks)”,于是将这种新粒子更名为夸克(quark)。与此同时,加利福尼亚理工学院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也独立地提出了这一预言。
夸克
1967年至1973年期间,美国麻省理工学院(MIT)的杰罗姆·弗里德曼(JeromeFriedman)、享利·肯德尔(Henrykendall)和斯坦福直线加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(RichardTaylor),在斯坦福(Stanford)利用当时最先进的二公里电子直线加速器就电子对质子和中子的深度非弹性散射开展了一系列开创性的实验工作,荣获1990年诺贝尔物理奖。这说明,人们在科学上最终承认了夸克的存在。斯坦福直线加速器中心所做的实验与卢瑟福(E·Rutherford)所做的验证原子核式模型的实验类似。正像卢瑟福由于大量α粒子的大角度散射现象的观察,预言原子中有核存在一样,斯坦福直线加速器中心由前所未料的大量电子的大角度散射现象,证实核子结构中有点状组分。 事实上,在斯坦福直线加速器中心—麻省理工学院所做的实验之前,没有人能拿出令人信服的动力学实验来证实质子和中子中有夸克存在,那个时期理论学家对强子理论中夸克所扮演的角色还不清楚。
1962年,斯坦福开始建造大的直线加速器,它的能量为10-20GeV,经过一系列改进后,能量可达到50GeV。两年后,斯坦福直线加速器中心主任潘诺夫斯基(W·Panofsky)得到几个年轻物理学家的支持,泰勒就是其中一员,并担任了一个实验小组的领导。不久弗里德曼和肯德尔也加入进来,他俩那时是麻省理工学院的教师,他们一直在5GeV的剑桥电子加速器上做电子散射实验,这个加速器是一个回旋加速器,容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量,可以产生“超强的射线束、高的电流密度和外部射线束。加利福尼亚理工学院的一个小组也加入合作,他们的主要工作是比较电子—质子散射和正电子—质子散射。这样,来自斯坦福直线加速器中心、麻省理工学院和加利福尼亚理工学院的科学家组成了一支庞大的研究队伍。他们决定建造两个能谱仪,一个是8GeV的大接受度能谱仪,另一个是20GeV的小接受度能谱仪。新设计的能谱仪和早期的能谱仪不同的地方是它们在水平方向用了直线一点聚焦。这种新设计能够让散射角在水平方向散开,而动量在垂直方向散开。 在那时,物理学的主流认为质子没有点状结构,他们预想大角度散射将会很少,而实验结果出乎意料的大。这是一个惊人的发现,人们不知道它意味着什么。在这种情况下,斯坦福直线加速器中心的理论家比约肯(J·Biorken)提出了标定无关性的思想。在得出标度无关性时,他用了许多并行的方法,其中最具有思辩性的是点状结构。
1967年末至1968年初,深度非弹性散射的实验数据已开始积累。当肯德尔把新的数据分析拿给比约肯看了以后,比约肯建议用标度无关变量ω来分析这些数据。按照旧方法描图,数据很非常分散,但按比约肯的方法处理数据时,数据竟很好地集中起来。1968年8月,第十四届国际高能物理会上,弗里德曼报告了实验结果。 1968年8月,加利福尼亚理工学院的R·费因曼访问斯坦福直线加速器中心时,看到了非弹性散射的数据和比约肯标度无关性。他认为部分子在高能相对论核子中是近似自由分布的,也就是说结构函数与部分子的动量分布是相关的。这是一个简单的动力学模型,也是比约肯观点的另一种说法。费因曼的工作大大刺激了理论工作,几种新的理论出现了。费因曼根据夸克的要求,淘汰了一些假设。 一年以后,欧洲核子研究中心重液泡室的中微子非弹性散射,对斯坦福直线加速器中心的实验结果给予了有力扩展。后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克的相互作用。所有这些都有力地证明了强子的夸克结构。 夸克的点状结构及其在强子中的强约束的矛盾,使得物理学界接受夸克用了好几年的时间。事实上,夸克理论不能完全唯一地解释实验结果,获得诺贝尔奖的实验表明质子中还包含有电中性的结构,那就是此后不久发现的“胶子”。在质子和其它粒子中胶子把夸克胶合在了一起。
1973年,格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鲍里泽尔(H·D·Politzer)独立地发现了非阿贝尔规范场的渐近自由理论。这种理论认为,如果夸克之间的相互作用是由色规范胶子引起的,夸克之间的耦合在短距离内呈对数减弱。这个理论后来被叫做量子色动力学,很好地解释了斯坦福直线加速器中心的所有实验结果。另外,渐近自由的反面,远距离耦合强度的增加解释了夸克禁闭的机制。 总之,斯坦福直线加速器中心的电子非弹性散射实验显示了夸克的点状行为,成为量子色动力学的实验基础。