你知道什麼是深度非彈性散射實驗嗎？

第五十章：你知道深度非彈性散射實驗嗎？

題目中所出現的辭彙，多次在我這本書中出現。所以有必要給大家介紹一下。這個實驗到底是怎麼回事？後量子力學時代，這個實驗非常重要，包括現在也非常重要。物理學家們就是靠著這個實驗，來了解粒子的性質等概念。

首先深度非彈性散射是一個物理學辭彙，該實驗表明在質心繫中某一入射粒子在碰撞後其能量有較大幅度的損失的情況。

深度非彈性散射也稱深度非彈性碰撞，指在質心繫中某一入射粒子在碰撞後其能量有較大幅度的損失的情況。

例如，將高能電子轟擊到質子上，除了出現有電子對質子的彈性碰撞過程外，更多的是出現多個π介子的情形,這時在質心繫的電子在碰撞後必定有大量的能量損失，即這些能量轉移成π介子的能量,因而就稱之為電子對質子的深度非彈性散射或深度非彈性碰撞。

類似的案例非常多。微觀粒子的碰撞需用量子力學描述。由於量子力學中的不確定度關係，微觀粒子的位置和速度不可能同時精確測定，以一定初速運動的微觀粒子碰撞後的運動狀態也就不是唯一的，用量子力學的波動方程可確定碰撞後粒子處於任一種運動狀態的概率。另外，微觀粒子在碰撞過程中可因相互作用而產生或湮沒，這也是與宏觀物體之間的碰撞過程不同的。

從標題，我們其實可以看出。微觀粒子的碰撞過程分彈性碰撞和非彈性碰撞兩種。彈性碰撞（又稱彈性散射）過程中，粒子之間只有動能的交換，而不發生粒子的種類、數目和內部運動狀態的改變。

而非彈性碰撞（又稱非彈性散射）過程中，或者發生粒子內部運動狀態的改變，或者發生粒子種類和數目的改變，這時粒子之間轉換的能量不僅是動能，還有與粒子的躍遷或粒子的產生和湮沒相關的能量。

實驗上研究深度非彈性散射時，可以測量所有的次級粒子的動量和能量。這時便稱為遍舉的非彈性散射過程。也可以只測量其中一個粒子或兩個或幾個粒子的動量和能量，這時便稱為單舉或雙舉或多舉的非彈性散射或非彈性反應過程。

研究單舉的深度非彈性散射有一個重要的簡化。從實驗的角度說，測量這種單舉的反應過程時，只測量兩個獨立的物理量,一個是末態電子的能量,一個是末態電子的飛行方向。

在彈性散射中，這兩個物理量在實驗室系不是獨立的,一個量給定了,另一個量也就確定了。實際上，在測量中所測到的能量和角度這種相關性說明所觀察到的確是彈性散射。

在非彈性散射過程中，這兩個物理量是相互獨立的，也就是在某一方向上將觀察到不同能量的電子，同一能量的電子也可以在不同的方位角上測量到。既然在實驗上存在兩個相互獨立的觀察量，那麼在理論上就可以用兩個相對論協變的獨立的物理量表徵單舉的深度非彈性散射過程。

實驗上研究單舉的、雙舉的以及帶有極化的深度非彈性散射過程是很重要的。正是在大量的這樣的實驗研究中,美國科學家J.D.布約肯等人建立了部分子模型。而量子色動力學也在這個模型的基礎上發展了起來。

在這裡要給大家強調，深度非彈性散射實驗，一般都要藉助高能量加速器來完成。目前最先進是歐洲的強子對撞機。希格斯玻色子就是用它來發現的。

簡單給大家介紹一下，關於質子碰撞研究的相關歷史。

在60年代，弗里德曼和肯德爾是麻省理工學院的物理學教授，另一泰勒是斯坦福大學直線加速器中心（SLAC）的物理學教授。他們三人都是SLAC-MIT研究小組的關鍵人物。

【弗里德曼】

在他們主持下進行的「SLAC-MIT實驗」取得了有關核子（質子和中子）內部結構的重要信息，為進一步研究物質最深層結構鋪平了道路。

著名物理學家漢森和斯坦福大學的同事們發明了速調管微波振蕩器後，於1947年創製了第一台電子直線加速器。1952年第三台電子直線加速器在斯坦福大學建成，命名為 Mark Ⅲ，可使電子加速到1 GeV。霍夫斯塔特就是用這台設備進行電子-質子散射實驗，對核子結構作了奠基性研究，由此判定質子是非類點粒子，直徑不小於10的-13次方cm。在他的倡導下，斯坦福大學從 1962年起，興建能量大於20 GeV的電子直線加速器。

1967年，大型電子直線加速器建成並達到設計能量。作為試運行開始了一系列電子質子散射實驗。實驗結果證明性能良好，不但電子束入射能量比一般大得多，而且電子束強度也大得多。在經過論證的十九項實驗方案中，有三項是SLAC、MIT和加州理工學院（Caltech）聯合提出的。這三項的內容是：電子質子彈性散射、正電子質子彈性散射、電子質子非彈性散射。

第一輪實驗結果很平常，只不過是進一步證實了已有結論。Caltech成員感到工作過於單調，決定退出聯合小組。SLAC和MIT成員繼續實驗，並逐步加大電子束能量，進行電子質子非彈性散射實驗，測到了三個峰值，這三個峰相當於質子的共振態。

再進一步把能量加大到幾GeV量級，進入所謂深度非彈性區域。這是從未有人探索過的區域。

為什麼叫深度非彈性呢？因為這時電子的能量是如此之高，竟可以深入質子內部，甚至把質子打碎。這時非彈性散射公式

e＋pe＋X

其中的X可以是一系列強子。

由於質子分裂成碎片，要吸收更多的能量，散射電子的能量要比平常低得多。然而，出乎實驗者預料，當進入深度非彈性區域時，電子損失了很多能量後，比起能量損失較小時，以更大的幾率出現在大角度上。換句話說，就是電子質子深度非彈性散射的大角度散射截面，比彈性散射的大角度散射大得多。

起初他們還以為是結果不正確，或者是解釋有錯誤，還可能是因為出現了系統誤差，誤差的來源也許是所謂的輻射修正，入射電子或散射電子以光的形式輻射掉了相當大的能量。

於是他們對輻射修正作了仔細研究。結果證明，輻射修正並不重要。他們把電子質子深度非彈性散射和電子質子彈性散射及電子電子彈性散射分別進行比較，發現隨著散射角的增大，電子質子彈性散射截面急劇下降，而深度非彈性散射截面與電子電子彈性散射截面之比卻保持不大的變化。這一事實表明，電子以極大的能量深入到質子內部時，遭遇到的不是「軟」的質子靶，而是和電子類似的點狀「硬」核。然而，當時科學家們並沒有領悟到這一點，而是感到迷惑不解。

【盧瑟福】

在發表第一批實驗結果時，他們非常謹慎。大家知道，60年前蓋革和馬斯登發現α粒子大角度散射時也曾出現過類似情況。如果不是盧瑟福的及時指導和理論分析，也許會錯失發現原子核的良機。

SLAC-MIT小組在60年代末的情況雖然比較複雜，但也有類似之處。如果不是有理論家，特別是布約肯（J.D.Bjorken）和費因曼的及時配合，恐怕一時很難對實驗結果作出正確解釋。時隔半個多世紀的兩件有歷史意義的重大實驗發現，都為我們提供了理論與實驗相輔相成的典型例證。

該實驗充分證明，質子不是點粒子，而是符合粒子。現在我們知道質子是由夸克構成的。具體說是由兩個上夸克和一個下夸克通過膠子在強相互作用下構成。原子核中質子數目決定其化學性質和它屬於何種化學元素。

1932年查德威克發現中子，是繼1911年盧瑟福論證原子有核之後的又一重大進展。從此關於原子核結構的知識與日俱增。海森伯在發現中子的基礎上提出了原子核由質子和中子構成的主張，於是中子、質子和電子被認為是物質的三種基本成分。

然而不久就認識到，質子和中子是比電子複雜的粒子。因為核子具有反常磁矩，會產生出人意料的強磁場，這隻能解釋成核子內部有電流。50年代，用電子散射方法研究核子結構，對核子內部電荷分布和磁性分布進行了測量。與此同時，一大批強子陸續發現，它們的性質與核子類似。於是促使人們進行有關強子分類的理論研究。

經過多次嘗試終於成功地解決了強子之謎，其中主要是通過蓋爾曼的工作。他在1961年提出用SU（3）對稱性對強子分類的「八重法」。

1964年，他預言的重子Ω-被實驗證實，進一步促使他提出假設，即作為SU（3）群的物理基礎的所謂三重態，實際上是三種不同的基本粒子。蓋爾曼統稱之為夸克，並且認為，夸克是自然界中更基本的物質組成單元，所有已知的強子都是由這三種夸克及其反粒子組成。

由於夸克模型能夠成功地解釋許多事實，把極為複雜的事情變得非常簡單，立即得到人們的普遍重視，於是掀起了一場尋找夸克的熱潮。

人們用海水和隕石作實驗；探測宇宙射線；運用各種高能加速器，希望能找到夸克存在的證據。然而，在1969年以前，什麼證據也沒有找到。這時，大多數人已經不抱希望，認為找不到夸克存在的證據，只能解釋為所謂的夸克只不過是某種數學符號，物理方程中的一個數學量而已。

但研究並沒有停止，費因曼和布約肯則是從另外一些角度研究這個問題。早在60年代初，費因曼就曾用直觀圖像來描述高能強子之間的相互作用，認為這種相互作用是通過交換強子內部的組成部分來完成的，他把這些組成部分稱為部分子。

布約肯是SLAC理論組的成員。他曾運用流代數研究中微子散射。當SLAC-MIT實驗得到反常結果時，他轉而研究電子質子深度非彈性散射，運用流代數求和規則對實驗結果作了分析，並提出標度無關性對實驗結果作出解釋。流代數是很抽象的數學方法，他的工作一直未能得到人們的理解。

1968年8月，正當人們對標度無關性的物理意義疑惑不解之時，費因曼來到SLAC實驗小組，人們向他展示深度非彈性的反常結果，並告訴他布約肯用標度無關性作出的解釋。費因曼很感興趣，只用了一個晚上就解決了這個難題。

他把質子看成是部分子（類點粒子）的複合體，把電子質子深度非彈性散射看成是電子與部分子發生彈性散射。經過計算，證明布約肯的標度無關函數正是部分子的動量與質子動量之比。就這樣，費因曼從深度非彈性散射和標度無關性找到了部分子模型的重要證據。

為表彰弗里德曼·肯德爾，理查德·泰勒，亨利·肯德爾在「核子的深度非彈性散射的研究」中做出的貢獻，1900年的諾貝爾獎頒發給他們三人。

費因曼的部分子模型和蓋爾曼的夸克模型有異曲同工之妙，他們從不同角度用不同方法達到了相同結論。人們很快就明白了，原來部分子和夸克是一回事。

電子質子深度非彈性散射實驗還表明，蓋爾曼在1962年提出的電中性粒子「膠子」有可能存在。1971年韋斯柯夫（V.F.Weiskopf）和庫提（N.Kurti）提出，正是這種「膠子」在夸克間傳遞強相互作用，才使夸克組成強子。

接著，1973年創立了量子色動力學，1979年丁肇中小組首先找到了支持膠子存在的證據。由SLAC-MIT實驗引起的一系列新進展，使物理學進入了一個新的時代，使粒子物理學進入了「夸克-膠子」時代。

【蓋爾曼】

物理學家蓋爾曼，也因為提出了質子和中子是由三個夸克組成的，獲得了1969年諾貝爾物理學獎。

看了這個關於質子內部結構探索的介紹，相信大家對深度非彈性散射實驗有了深刻的認識了。

這對於我們來說，可能不是一個有趣的實驗，會相當枯燥，分析大量數據。但一定要有人去做，才能發現更多奧秘。

你也許不會從事這方面的研究了，但你知道了這個事情，你可以告訴你的兒子，女兒，說物質是怎麼構成的，說人們用什麼實驗發現它的。你的兒子和女兒有可能成為將來的科學家。那麼你也是做了很大的貢獻的。

這就是我們為什麼要知道一些東西的原因。猶太人為什麼成功，就是他們的父母都告訴他們的孩子，讀書是高貴的事情，書本是我留給你的寶藏。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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