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肯德尔

弗里德曼.肯德尔和理查德泰勒有关电子与质子和束缚中子的深度非弹性散射实验,是在美国斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)进行的。在建设SLAC时,泰勒负责磁铁和谱仪的安装,后来成了实验项目的总负责人;弗里德曼和肯德尔为谱仪研制了粒子探测器,后来负责处理实验数据,并在1972年代表实验小组全体成员作了总结报告。

1967年,大型电子直线加速器建成并达到设计能量,作为试运行开始了一系列电子-质子散射实验,包括电子-质子弹性散射实验、正电子-质子弹性散射实验和电子-质子非弹性散射实验。但是,这些实验的结果只是证实了已有的结论。当入射电子能量进一步加大时就进入了从未有人探索过的深度非弹性散射区域。这时,电子的能量是如此之高,以至于可以深入到质子内部,甚至将质子打碎。由于质子分裂成碎片要吸收更多的能量,散射电子的能量应当比平常低的多。

然而,实验发现电子-质子深度非弹性散射的大角度散射截面比弹性散射的大得多。起初,他们认为,是实验结果不正确,或者是解释有错误,还可能是因为出现了系统误差,误差的来源也许是所谓的“辐射修正”,即入射电子或散射电子以光的形式辐射掉了相当大的能量。于是,他们对辐射修正作了仔细研究。结果证明,辐射修正并不重要。他们把电子-质子深度非弹性散射和电子-质子弹性散射以及电子-电子弹性散射分别进行了比较,发现随着散射角增大电子-质子弹性散射截面急剧下降,而深度非弹性散射截面与电子-电子弹性散射截面之比却变化不大。这一事实表明,电子以极大的能量深入到质子内部时,遭遇到的不是“软”的质子靶,而是和电子类似的点状“硬”核。然而,当时实验物理学家们并没有领悟到这一点。SLAC理论组的成员布约肯(J. D. Bjorken)运用流代数求和规则对实验结果作了分析,并提出标度无关性对实验结果作了解释。但是,由于流代数是很抽象的数学方法,他的工作一直未能得到人们的理解。后来,费恩曼把质子看成是点状部分子的复合体,把电子-质子深度非弹性散射看成是电子与质子内的部分子发生弹性散射。经过计算,证明布约肯的标度无关变量正是部分子动量与质子动量之比。就这样,费恩曼从深度非弹性散射实验和标度无关性找到了部分子模型的重要证据。人们很快明白,部分子和夸克原来是一回事。

另外,电子-质子深度非弹性散射实验还表明,盖尔曼在1962年提出的电中性粒子“胶子”有可能存在。1971年,韦斯柯夫(V. F. Weisskopf)和库提(N. Kurti)提出,正是这种“胶子”在夸克间传递强相互作用才使夸克组成强子。接着,1973年创立了量子电动力学;1979年丁肇中小组首先找到了支持胶子存在的证据。

显见,电子-质子深度非弹性散射实验引起了粒子物理学的一系列新进展,使粒子物理学进入了“夸克-胶子”时代。


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