The Unknown Story Behind One of the Most Important Discoveries in Physics – with Jim Al-Khalili

QCD是描述强作用力的理论，负责把原子核束缚在一起，其发现被视为科学史上重大突破之一。本节由亲历者讲述这段此前未被完整讲述的发现史，并指出故事始于1960年代中期。

1960年代中期，量子力学把原子描述为电子云围绕由质子和中子组成的原子核，电磁力已被成功描述。人们认为质子只是带正电的小团块、没有内部结构，物理学家Howard Georgi称这是粒子物理格外沉闷的时期。

1962年，斯坦福大学不顾多方劝阻开建世界最大的电子加速器SLAC。工程规模空前：移动250万立方码土方、浇筑1000立方码混凝土、用一万吨钢筋，两英里长的铜管直径四英寸、准直到一角硬币的厚度。造价超过一亿美元，约合今天十亿美元，因野心过大被戏称M计划。

电子被加速到接近光速，十万分之一秒后撞入实验终端A的质子靶。终端A是带近两米厚墙和一米厚顶的屏蔽建筑，内部枢轴上装有三台谱仪，可由控制室用电动机转动。

1950至60年代的实验表明，电子与质子作用时只是弹开，即弹性散射，质子内部不变。60年代初能量提高后，在特定电子能量下质子会吸收部分能量短暂跃迁到更高能态，如同敲钟，这被称为共振即非弹性散射，SLAC建成前已被理解。

SLAC主任Wolfgang Panofsky身材矮小、精力充沛且不惧批评。尽管普遍预期不会有新发现，他仍坚持用能量和能量损失远超以往的高能电子轰击质子，探索前人未至之处。到1968年，首批实验结果开始返回。

低能电子与质子碰撞表现为弹性散射，电子守恒能量地弹开，这符合此前人们的预期，并不令人意外。首个真正运行的实验就是弹性散射，结果基本在预料之中。当时合作方为SLAC、MIT和Caltech，Caltech认为深度与弹性散射会乏味而退出，转去Fermilab做中微子研究。

随着电子能量提升，弹性散射变为非弹性散射，电子把能量交给质子，质子被激发到共振态。在更高能量下，电子束接近光速，科学家看到不同现象：仍是非弹性散射，但不再出现共振。图上纵轴是给定角度探测到的电子数，横轴是电子转移给质子的能量；低能处有弹性散射峰，随后是共振峰，而高能处出现一条长而浅的尾巴，暗示电子在反弹，却不知撞上了什么，令人费解。

60年代中期在SLAC工作的物理学家James Bjorken以能看穿复杂、找到简单答案著称。听说实验者看到的新奇非弹性散射结果后，他迷上了这个问题，自称两年没抬头。他借助晦涩且高度数学化的流代数框架来思考高能电子-质子碰撞，但几乎没人能理解他的数学，年轻实验者至今也不懂。流代数引导他得出标度这一有力新想法。

通常放大倍数越大细节越多，但SLAC电子以更高分辨率探测质子时散射图样几乎不变，这就是标度。若电子从点状组分上散射就会如此，因为点无论放大多少仍是点。反弹电子加上标度，共同引导他得出质子内部存在看似自由运动的点状组分的结论。

Bjorken请SLAC实验者用不同电子能量反复做深非弹性散射实验，计算结构函数并比较不同能量下的曲线；若曲线重合，就说明存在标度，而标度意味着点状粒子。到1967年，实验者把电子能量提高到20 GeV，是当时其他装置的两倍多，电子以接近光速撞向液氢靶，探测器在不同角度测量电子，随后计算结构函数。

SLAC深非弹性实验的著名图上，所有数据点无论电子束能量如何，都倾向于沿顶部一条直线聚拢，说明Bjorken的假设正确，质子确实有内部结构。这引出疑问：质子内是否真有点状粒子？它们尺寸为零、在质子内自由运动，却又被极强地束缚在一起，使质子从外部看像无结构的团块。这一切显得极不可能，许多SLAC科学家不确定是否该把发现埋掉。

Feynman与Gell-Mann同在Caltech，办公室仅隔两门，学术上激烈竞争却互相激发创造力。两人性格迥异：Feynman爱扮小丑、声音大，Gell-Mann自视文化精英，常被Feynman惹恼。1960至70年代，两人主导了粒子物理界。

60年代中期Gell-Mann先提出新想法，Feynman后来独立得出类似结论：质子与中子内部可能存在点状粒子，基本粒子未必基本。Feynman称之为部分子，Gell-Mann称之为夸克，当时两人都认为这只是解释核子关系的巧妙数学手段。

1968年秋Feynman听说SLAC的结果后到访，与Bjorken讨论标度。Bjorken谨慎、不愿断言，Feynman则断言这就是他的部分子、质子内部有结构。凭借Feynman的个性与说服力，人们开始相信质子由更小的基本粒子组成，这成为转折点。

1968年9月SLAC主任Panofsky在维也纳会议上首次试探性公布结果，措辞极为谨慎，只承认数据可能提供核子内点状电荷结构的证据。多数科学家仍不信服，当时学界极为保守，最 daring 的说法也只是与点状结构一致。

夸克组合构成所有核粒子，并分味：最初有上、下、奇异三种。为解释质子与中子的电荷，夸克须带分数电荷：上为加三分之二，下与奇异为减三分之一。质子是上上下，电荷加一；中子是上下下，电荷为零；π加是上反下，Λ零是上下奇异。

此前认为强核力把质子中子紧紧束缚，但若核子由点状夸克组成，强作用方式就很奇特：夸克在质子内自由移动，而强作用力在远距离极强、近距离极弱，与引力和电磁力越近越强相反。多数物理学家因此不愿接受夸克理论。

Gell-Mann等人提出夸克还有色荷，类似电子的电荷，色荷把夸克束缚在一起。仿照电磁力通过交换光子传递，强力通过交换胶子传递，且夸克组合须色中性即白色。但这仍无法解释强力既紧缚质子又让夸克看似自由，直到1973年Gross、Wilczek与Politzer发表解答。

以电磁力作类比：电子与质子通过交换虚光子相互作用，虚光子可涨落成虚电子正电子对；裸电子周围的虚粒子云中，虚正电子被吸引、虚电子被排斥，从而屏蔽裸电子的电荷，使近处作用力显得强、远处被稀释变弱。

关键差异在于光子电中性，而胶子自身带色荷、会与自身相互作用，产生更多虚胶子。裸夸克周围的虚夸克虽起屏蔽作用，虚胶子却相反，使有效色荷在远处显得更强、近处更弱，即不是屏蔽而是放大色荷。

在SLAC电子探测的距离尺度上，夸克之间相互作用极弱，看起来像自由的点状粒子，Gross、Veltman与Politzer称之为渐近自由。这解释了Bjorken在1969年的发现：高能电子在极小尺度上探测质子，强作用力几乎不起作用。

到1970年代中期，多数科学家仍认为夸克只是数学工具，但线索不断累积。1974年SLAC与布鲁克海文国家实验室的团队分别发表第四种夸克即粲夸克的新证据，进一步支持夸克真实存在。

理论坚持夸克因色荷永远不会单独出现，实验者于是转向寻找强作用力的载体胶子。当时连胶子一词都几乎不出现，夸克也只被谨慎提及，因为担心被质疑建立在不存在的东西上而拿不到经费。

德国汉堡的PETRA对撞机1978年建成，与SLAC不同：它让电子与正电子在23公里环中反向加速后对撞湮灭，产生巨大能量，形成向相反方向飞散的夸克反夸克对。

夸克不能单独出现，飞散时色场能量增长，足以从真空中产生新的夸克反夸克对，组合成无色粒子，形成粒子喷注。QCD预言夸克或反夸克偶尔会先辐射胶子，胶子再形成自己的喷注，于是可能出现三喷注而非两喷注。

PETRA的TASSO探测器能识别粒子图样。科学家吴秀兰想到三喷注的一个特性是它们位于同一平面，并巧妙设计算法找出这个平面；她的团队几周内率先做出显示，靠的正是她的远见。

1979年6月，PETRA科学家本预期看到夸克与反夸克的两个喷注，却看到了三个喷注，说明除夸克和反夸克外还产生了胶子，证明胶子真实存在、QCD占据主导。同年8月芝加哥会议上胶子被宣布发现。

此后QCD日趋完整，人们发现共有六种夸克味：上、下、奇、粲、顶、底。夸克的组合构成质子与中子，以及庞大的其他粒子家族。

QCD最令人瞩目的成功之一是计算质子质量：三个价夸克（上上下）的裸质量只占实测值约百分之一。其余质量来自强作用力把夸克束缚在极小空间，动量不确定度飙升转化为能量，加上胶子场能量与虚夸克对海，按质能等价贡献质量。

2008年一项详细的QCD超级计算机计算给出的质子质量与实验测量值极为接近，误差仅几个百分点，成为QCD的显著验证。这也带来深刻认识：人体质子中子质量中只有极小部分来自夸克，其余是夸克与胶子被束缚的躁动能量。

自1970年代中期以来，CERN的大型强子对撞机基本在填补QCD的实验空白，该领域如今依旧繁忙。CERN、费米实验室、DESY、SLAC、布鲁克海文等都在用最大加速器或建造更强新机器，继续探索夸克与胶子物理。