根据丁肇中教授1979年9月26日在北京的讲演整理，未经丁肇中教授审阅，错漏之处，由本刊编辑部负责。
上次我跟大家讨论时说过，我所做的实验，重要目标之一就是寻找各种基本粒子。现在再简单地重复一下。
高能的粒子，比如说三百亿电子伏特的质子，打在泡室上后，会产生很多很多的粒子，总共有二、三百种。这些粒子之间的作用力，最主要的是强核力。强核力有多种，在宇宙中它使核子结合成原子核，使氢弹燃烧。它的强度比电磁力大一百倍，作用力程非常短，只有10-13厘米，由媒介子传递。
对于强子的认识，在过去五十年中有很大的改变。在二十年代，我们认为强子是氢原子中心的一个很小的物体；到五十年代时，我们认为它是一个很小的东西，周围有很多介子绕着转；在六十年代，我们就不认为它是一个小东西，它是一个比较大的东西，中间部分就比电子大得多，中间比周围更浓密；到七十年代，我们认为它是一个很大物体，中间有许多更小的物体，在粒子发现以前，我们认为它是由三个层子构成的，互相之间交换胶子。新粒子的发现就表示在原子核里面除了三种层子以外，还有第四种，这就是粲层子。有了第四种粲层子后，就可以想象到，还有第五种、第六种、第七种……，所以做高能实验的目标之一，了解强相互作用的目标之一，就是搞对头碰撞。
在原子核里面，除了强相互作用以外（强相互作用当然是由层子和胶子产生），同时还有电磁相互作用，这是宇宙间主要的作用。它在原子里面很强，在宇宙学里很弱，因为物质是中性的。
除了电磁力以外，还有一种更弱的力，我们叫它做弱力。在宇宙间，它的主要作用是改变基本粒子。它的强度是电磁力的10-11倍，作用力程非常短，是10-15厘米。它作用在所有的基本粒子上，层子和电子上。弱力现在还并不完全了解，不能完全了解的重要原因之一就是它的传递者Z0和W±还没有找到。找到Z0和W±是一个非常重要的现象，是把所有的力统一起来的第一步。换句话说，电磁力，即当一个电子和一个电子相碰时出现的力是由光子传递的，这我们已经知道。强力，当一个费米子同另一个费米子相撞时出现的核力是由π介子传递。弱力，从一个质子变成一个中子中间传递力的粒子是什么，还是个问号。
在我们这个小组里寻找下落不明的弱力传送者，采用两种方法：第一种方法· 是在世界上能量最高的加速器，在日内瓦的三百亿电子伏特质子-三百亿电子伏特质子对撞机上，来寻找下落不明的弱力传递者。做法是用质子-质子对撞，产生Z0或W0，衰变以后产生e+e-或μ+μ-。另一种方法是在西德汉堡的电子一正电子对撞加速器上，用e+e-对撞，产生W0或Z0然后让它衰变，衰变之后再找出来。
质子加速器对撞机的原理很简单。质子先在直线加速器加速，然后到增强器增加流强、增加流强以后，到二百八十亿电子伏特的质子加速器里，能量加到二百八十亿电子伏特。然后质子分两路进入储存环，同样的质子有二个储存环，在八个地方质子- 质子对撞，每一个质子能量是三百亿电子伏特。
质子- 质子一对撞后，就产生很多很多粒子，每秒钟有107~108个粒子。产生最少的是正负电子对和正负μ对。找μ对的第一个问题是先要把质子吸收掉，再把强子吸收掉。所以用大磁铁来吸收，磁场大约一万八千高斯，把重子吸收掉以后，μ子是唯一穿过磁铁的粒子。穿过磁铁后用仪器把它的轨道尺寸量一下，量下来后就可以知道μ子的动量，由μ子的动量就可以算出原来粒子的质量。这个实验比较大，总共有六米长、六米宽、六米高，重量有一千多吨。因为这个仪器非常大，所以要安装这个仪器，第一步必须先把加速器拆开，拆开后把仪器装好，然后再把加速器装回来。
这个实验还没有完，正在继续进行，初步结果，在图上有一个峰，这个峰是和在美国费米加速器实验室发现的峰在同一方向，同一方向，这是一个实验相符合的典型例子。它表明有第五个层子，就是b，底层子。至于外面有没有新的峰还不知道。从费米加速器实验室的实验和我们的实验，知道层子除了原来的三种、除了J粒子的第四种，现在有了第五种。
现在我来讲从正负电子对撞来找新粒子的实验。这是在汉堡做的，与上面的实验相比正好是倒过来做。这个实验小组叫Mark-J。实验目的基本有三个。第一是研究电磁相互作用和弱相互作用的相干。当正负电子对撞以后产生光子，光子大部分衰变成一对μ，很少的时候变成一个虚的中间玻色子。中间玻色子再衰变成一对μ。有了中间玻色子以后，最后的μ对的角分布，与光子衰变成一对μ时一样是可以精确测量的。精确测量出一对μ的角分布，就可以知道中间玻色子的能量多大，找到中间玻色子的能量后，就证明它的真正存在。
第二个目标是找新粒子，找新的层子和新的轻子。我们已知有三种轻子：电子、μ子和τ。τ最奇怪，也可能还有另一些。
第三个目标是测量电子的大小、μ子的大小和τ的大小。换句话说是验证量子电动力学，测量实验结果与量子电动力学的预言进行比较。
正负电子先在直线加速器，经过增强器，加速到十亿电子伏特左右。然后e+从一个方向，e-从另一方向进入储存环里，在里面再增加能量。在四个地方发生对撞。在这四个地方有四个组同时做实验，我们是里面一个，四个组大概有二、三十个国家参加。
这个加速器是和美国的加速器同时设计的，不过这个加速器早一年完成，所以很快地得到了结果。
我们这个实验小组总共有五十六人参加，有从德国的亚琛大学，西德的国家电子加速器中心来的，从美国麻省理工学院、从荷兰和中国高能物理研究所来的。中国科学院高能所的同志分两批参加了实验，第一批的大部分同志已经回来了。第二批的同志现在正在那里工作。我们那个组，现在中国同志大概有一半。
实验结果可以分成下列三种，第一是测量量子电动力学，量子电动力学中有二种虚光子过程，一种是单光子的虚光子，一种是双光子的虚光子。单光子是弹性散射正负电子到正负电子，或者正负电子还有一对μ。双光子是正负电子到正负电子加二个μ。最后我们测量二个μ，—个μ，一个e，共三个μ。还有一个单光子是正负电子到一对τ。第二个结果是正负电子产生强子。产生强子最重要的结果是要找有没有第六种层子，第六种层子叫顶（top）层子。顶层子怎么找法呢？有二个找法，一是正负电子相碰产生虚光子，虚光子变成层子对的时候，总截面突然增加，是测量总截面的。第二是测量它的喷注结构。第三个结果就是测量有没有胶子存在。胶子的效应是正负电子对撞产生虚光子以后，中间一个过程产生一对层子，层子突然放出一个胶子，胶子是层子间传递力的东西。
怎样寻找新粒子呢？当正负电子对撞产生强子时，普通的认识是正负电子对撞产生虚光子，虚光子然后产生一对层子，层子然后衰变成强子。R就是这个总截面与正负电子到正负μ子总截面的比例。R的实验曲线，横坐标轴是对撞机总能量，纵坐标是R值。在低能对撞机上的结果R大概是2.5，在J粒子处忽然R非常非常大。过了这个阈以后，R就增加到4.4，以后还有Υ出现，Υ粒子是电荷1/3的层子组成，所以R增加也不大。在R上有两种现象，一种是出现一个峰，或者有一个跳跃，这二种现象都证明有新的层子存在。
因为我们要测正负电子经过虚光子产生A或者正负电子对撞经过中间玻色子产生口。这个效应对于不对称性，非常灵敏。所以仪器的精确度一定要百分之一。仪器并不小，精确度百分之一不太容易达到。为了保证精确度百分之一，虽然这个仪器有六十吨重，也要让它绕θ角和φ角转，这样如果有不精确的地方，就可以消除。转动以后测量一下发现中心轴的准确度是100μ左右。整个实验比较复杂，所以用了六台闭路彩色电视，从上下、左右、前后，从不同的地方进行监视，一有不正常，马上就知道。
我们这个探测器有三个特点。第一是测量电子、μ子、光子、强子和中性粒子的能量。第二能测量能流和喷注的空间分布角度。第三具有很高的μ子分辨率。为什么会有很高的μ子分辨率呢？因为第一μ子的衰变中心非常小，只有15Gev；第二用了强子过滤器；第三这些探测器的μ子引起的最小电离能量很低。
现在因为正负电子对撞机只有二台，一台在汉堡，一台在美国，所以有八个地方能做实验。其余七个探测器都比这个复杂，这个最简单。简单的原因有二个：第一是我们不分辨强子，不分辨K、不分辨P、不分辨π，不分辨强子的话就非常简单；第二我们最重要的实验是测量一对μ，寻找中间玻色子。除我们的外，基本上别的探测器还没有完全完成。
现在来讨论量子电动力学的测量。测量量子电动力学经过单光子的实验有三种。第一种实验是正负电子经过光子，再经过光子产生正负电子或正负μ子或正负τ轻子，τ马上衰变成一个μ和两个中微子或一个电子一个强子，很多强子被打出、即是如下的过程
如果式中的Λ等于∞，就表示轻子没有大小。同时我们可以找双光子，通过双光子事例。正负电子产生一个光子，然后产生μ，然后再产生光子；或者正负电子产生一对电子，这电子再轫致辐射产生光子，这样的话，末态有四个轻子。
图1所示的是这个实验中弹性散射e+e-→e+e-的结果。横坐标是弹性散射的角度，纵坐标是能量乘上截面。能量平方乘上截面是与能量无关的，为什么？因为如果量子电动力学是对的话，截面与能量的平方成反比，所以能量平方乘截面与能量无关。图中·是能量13 Gev的实验点，○是17 Gev；△是27.4 Gev的实验点。这条曲线是量子电动力学的预言。可以看出量子电动力学只有在非常小的距离内才不正确。
现在我来讲几个τ和μ的问题。正负电子对撞产生τ，τ轻子在很短的时间内衰变成电子和二个中微子，另一个τ产生μ和中微子。中微子当然看不见，但正负电子能量很大的时候，产生的中微子的能量也很大，衰变以后这个电子和这个μ所带的能量当然非常大，所以从后面看起来，一个μ和一个电子几乎是在一条线上，原因是τ轻子的质量很大，是1.8 Gev。背景就不一样了，所谓背景就是说正负电子对撞产生虚光子，虚光子产生一对μ再产生虚光子，再产生一对电子，然后再测量到一个电子和一个μ子。这个电子和μ子要跟原来的τ产生的电子和μ子分开。怎么分开呢？虚光子产生的电子，前面的角度非常大，因为虚光子产生的，它的能量很快就没有，所以角度非常大。只要调整一下仪器，就可以知道是双光子产生的背景。
还有一种双光子事例，也是正负电子对撞产生光子产生μ，然后再产生光子产生电子。这个事例容易辨认出来，因为最后有一对μ和一个e，所以知道这是双光子产生的事例。双光子的量子电动力学到现在为止还没有人测过。图2是双光子电动力学的第一个结果。e+e-μ+μ-是双光子产生的，（eμμ）是测三个粒子的能量，中间是测（eμ）的，上面是测（μμ）的。直线是双光子电动力学的预言。从三条直线与实验结果相比，可看出双光子量子电动力学是正确的。
双光子事例，以前大家不大注意，因为双光子截面一直以为非常小。直到正负电子对撞能量非常大的时候，双光子的总截面比单光子的总截面大一百倍左右，这是个非常严重的背景。
图3是正负电子经过单光子产生一对μ的实验结果。这是两个实验结果。横坐标是e+e-的能量，纵坐标是总截面，曲线是量子电动力学的预言，a图是e+e-→μ+μ-的实验结果，从图上可以看出，从μ子来说直到很大的能量，或很短的距离，都符合量子电动力学，基本上没有直径或半径。b图是e+e-产生τ轻子的实验结果，坐标与a图的一样。·是我们小组的测量结果，△是Pluto小组的测量结果。曲线是量子电动力学的预言。实验结果是与量子电动力学预言的一致，这就表明τ轻子也是有大小的。这个实验结果可以这样表达出来，假设形状因子的公式（1）是正确的，根据动量条件，e，μ，τ的截断因子Λ，通常在100 Gev左右。100 Gev用海森堡测不准原理来算的话，所有的轻子的半径都小于2×10-16厘米。这是非常非常之小。对我个人来说这个结果好像比胶子的事情重要一点。
现在我们再讨论正负电子产生强子的实验结果。讲实验结果先得讲实验程序和实验的背景。正负电子碰撞产生强子的质量和能量是用量热计量得，电子和束流管道残余气体的碰撞产生本底。真正的事例要和本底事例分开，分不开的话就有问题了，因所测得的事例就不知道是真正的事例还是来自电子和束流管道。有了实验结果以后就要和理论进行比较，要和理论比较，就得理论计算，理论计算用的方法是蒙特 - 卡罗方法，甩蒙特 - 卡罗方法的范围很广。第一正负电子对撞产生虚光子，同时还有轫致辐射产生一个光子。虚光子再产生一对层子和反层子。层子我们知道有五种，叫做u、d、s，J粒子的那种叫c，Υ的那种叫b，顶层子没有找到，所以不用。有五种层子和反层子，层子可以轫致辐射一个胶子。层子碎裂成强子，怎么样碎裂成强子呢？碎裂成强子是这样的，层子从层子海里找出反层子，反层子在层子海里找出同样的反层子，一对一对地产生强子。假如没有胶子的话，碎裂产生的永远是两个喷注，有胶子的话就有三个喷注。这个理论非常简单。
我们小组测量了R的值，假如有顶层子的话，因为顶层子的电荷是2/3，所以只要增加一些。从我们的实验可以看出顶层子在32 Gev以前还不存在。
还可以更进一步来找顶层子。在分析顶层子时，我们可以用二种喷注强度，一种叫冲度Thrust），另一种叫球度，冲度和球度是差不多的，所以我们集中用冲度。什么叫冲度呢？冲度就是在很多喷注事例中先找一条轴，沿这条轴找每个粒子的平行动量，总的平行动量与总的动量之比的最大值就叫冲度。图4是实验结果。横坐标是冲度，纵坐标是归一化的冲度分布。能量分别为13，17，22，27，30，31.6 Gev。实线表示是根据五种层子的理论计算值，从图中可以看出五种层子的计算是符合实验结果的，最后一图中虚线有一个峰，这是因为过了阈值以后，产生了新现象，所以从动量平衡来说，所有的粒子就不集中在一起，所以在阈以前在冲度的分布上比较挤，超过了阈以后在低冲度的地方就有一个峰，找到这个峰就表示找到了新层子。从现在的结果来看，新层子还没有发现。现在有二种方法证明顶层子不存在，至少到31.6 Gev不存在。
这一实验结果与原来理论的预言不一样。原来的理论猜想认为，矢介子第一个家族ρ、ω、Φ质量在1 Gev左右；第二个家族在3 Gev左右，就是J粒子；第三个家族Υ在9 Gev左右，那么第四个家族应在27 Gev左右。但是到32 Gev还没有发现。
现在来说最后一个实验结果。当正负电子对撞时，产生虚光子。虚光子中间过程有二种可能：一种可能性是没有胶子；另一种可能性是有胶子。有了胶子以后，中间就有三个粒子束。如果是二个粒子束的话，二个都在直线上；有三个的话就在一平面上。中间经过三个粒子，末态强子就形成三个喷注，怎样来分析这三个喷注呢。因为我们量所有的能量，所以很简单？分析的时候，我们用二个坐标，如果从上面看一个坐标叫长度，另一个坐标叫冲度。（见本期9页图3a）在长度和冲度轴上，一个喷注由层子衰变而成，另一个喷注由反层子衰变，胶子产生在这儿，看见没有，有三个喷注。从侧面看来（见本期9页图3b），由于动量平衡关系，有二个合在一起，和原来正负电子对撞很像。能这样的唯一可能性，是因为你把所有的能量都测量，不量所有能量，就没有办法，到目前为止还不能完全证明这一点。
经过大部分中国同志的努力，第一年就得实验结果。第一部分是e、μ、τ粒子的半径小于10-16厘米，同时双光子的事例是与量子电动力学相符合。第二部分是R值的测量和冲度分布测量的结果表明，从阈值到31.6 Gev还没有发现带2/3电荷的，一般人认为存在的顶层子。第三，层子的分布是和量子色动力学一致。单有层子的喷注不好解释为什么末态强子分布在一个平面上。到现在为止绝对不能说证明了胶子存在，至多只能说，如果有胶子存在，才能解释实验事实。现在我们正在继续实验。实验目标有下列几个。第一，我们想找一个办法把加速器在我们那个发生对撞的地方，加四块四极磁铁把束流集中在一起。这样做有二个好处：一个好处是可以做别的实验；另一个好处是可以更正确地找到正负电子经过中间玻色子到μ子的实验和正负电子经过光子到μ的实验的比较。这个我个人认为在短期内可以做到。第二，我们的加速器大约在二、三月以后，能量就增加到38 Gev，这就可以继续找顶层子。假如粗略地想一想，轻子有e、μ、τ三种中微子，层子也应有第四种、第五种、第六种……有很多。当然找到了层子，对了解自然现象是非常重要的。
〔整理者陆继宗〕