從 J 粒子到宇宙射線：丁肇中的實驗物理之旅
丁肇中經歷的現代物理與體會
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。
「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。
專家結論不一定是對的：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。」
堅持做對的事：解開 J 粒子之謎
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。
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。」
意外不意外：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。
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。」
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。」
把超大磁鐵送上太空：阿爾法磁譜儀（AMS）
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。
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。」
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。」
自然科學的研究，只有第一
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。
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。
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。
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）
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。
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。
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。
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