1980年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州芝加哥大学的克罗宁(James W.Cronin,1931—)和美国新泽西州普林斯顿大学的菲奇(ValL.Fitch,1923—),以表彰他们在中性K-介子衰变中发现基本对称性原理的破坏。
1956年,李政道和杨振宁提出:在弱相互作用中宇称P是不守恒的,几个月后,宇称不守恒定律得到了吴健雄等人的实验验证。因此李、杨在1957年获诺贝尔物理学奖。
在描述粒子物理学中发生的各种过程,物理学家除了运用能量、动量、质量和电荷这些基本概念和有关的守恒定律外,还提出了一些重要的物理量,其中有宇称、电荷共轭和时间反演。宇称以P表示,宇称守恒反映了镜象反射的不变性,也就是说,把一个过程换成它的镜象过程后仍然遵从原来的规律;电荷共轭以C表示,电荷共轭守恒反映了正反粒子变换的不变性,也就是说,把参与一个过程的所有粒子换成相应的反粒子时,其物理规律不变;时间反演以T表示,时间反演守恒即时间反演不变,也就是说,如果时间倒转,物理规律不变。
长期以来,物理学家往往认为P,C,T守恒定律和能量、动量以及动量矩守恒定律一样,都是粒子物理学中的基本定律。因此,1956年李政道和杨振宁发现弱相互作用中宇称不守恒在粒子物理学界引起了极大的震撼。但是人们仍然认为,即使P不守恒,CP联合应该是保持守恒的。
1964年,克罗宁、菲奇及其合作者克里斯坦森(J.H.Christenson)和特莱(R.Turley)首先从实验中找到了破坏CP守恒的事例。他们的
应衰变产有两起违背CP守恒,即只产生一对π介子。这一发现又一次引起了物理学界的震惊,因为这是继宇称不守恒的发现之后的又一重大突破。它不仅意味着时间反演在微观世界中也可能是不对称的,而且对宇宙学和大统一理论有直接的影响。
克罗宁、菲奇等人的实验是在美国布鲁克海文国家实验室做的。他们利用这个实验室的交变梯度同步加速器,从加速器射出的能量为30GeV的质子束轰击铍靶,轰击后产生的新粒子通过一道强磁场进行筛选,得

长寿命的K介子。于是,他们设计了这样的步骤:让K介子穿过长17m

以记录粒子径迹。根据π介子在电磁线圈中的偏转,可以推算π介子的能量和动量。火花室由切连科夫计数器和闪烁计数器控制。闪烁计数器和切连科夫计数器符合动作时,就提供信号以触发火花室,并用照像记
子。两套谱仪同时测量到两个带电π介子的能量和动量,就可以知道这

性π介子。因为两套谱仪只能测量两个π介子,第三个π介子没有测量
带电π介子,而不能衰变为两个π介子。两个π介子衰变与三个π介子衰变的主要区别就在于:两个π介子衰变时两个π介子的总动量应与入


起衰变为两个π介子的证据。也就是说,在这些特例中,C,P联合并不守恒。经过计算,他们得出如下的结论:衰变为两个π分子与衰变为其它模式的比例为0.2%。经过半年核对无误,他们就在1964年在《物

中发生。
宇称不守恒和CP对称性破坏的发现大大促进了粒子物理学的发展,对空间的观念和进一步认识,具有深远的影响。鉴于克罗宁、菲奇等人的π介子实验对于判定CP不守恒有决定性的作用,并且CP不守恒对于认识时间对称性有重要意义,克罗宁和菲奇于1980年获诺贝尔物理学奖。
克罗宁1931年9月29日出生于美国依利诺斯州的芝加哥市。父亲是芝加哥大学古典语文系的学生,后来到阿拉班玛(Alabama)一所大学当拉丁文和希腊文教授。克罗宁在中学时受到一位物理老师的鼓励,使他产生了对科学的兴趣。老师强调不但要对实际实验采用分析方法,而且要对简单物理系统采用分析方法。克罗宁1951年考入芝加哥大学当研究生,这时他才开始真正受到教育。在他的老师中有费米、爱德华·泰勒(Edward Teller)、盖尔曼等著名物理学家。他在阿利森(S.K.Allison )指导下做博士论文,是关于实验核物理的。盖尔曼的课程激起他对粒子物理学新领域的兴趣,因为盖尔曼就在此时发展了粒子物理学的重要观念——奇异性。1955年克罗宁获得学位后,立即参加了库尔(R.Cool)和皮西昂尼(O.Piccioni)的小组,当时他们正在布鲁克海文宇宙线级加速器①工作。当时正值粒子物理学激动人心的年代,著名的τ-θ之谜导致了宇称破坏的预言,而实验很快就证实了这一预言。在布鲁克海文发现了长寿命的K介子。于是克罗宁开始作了一系列的电子学实验,以研究超子衰变中的宇称破坏。1958年初,这台加速器磁体严重损坏,他们只好把实验转移到伯克利的十亿级加速器(Bevatron)去做。他在这里认识了温策尔(W.Wenzel),从温策尔的经验里,克罗宁认识到不要被复杂的装置所吓倒。在布鲁克海文,克罗宁遇到了菲奇,菲奇很欣赏克罗宁的才干,主动提出让克罗宁到普林斯顿大学工作。于是1958年秋克罗宁去了普林斯顿。在那里所有的实验物理研究都是按照协议由海军研究部拨给经费。实验室主任雷诺(G.Reynolds)非常支持克罗宁独立进行工作。以后的10年是克罗宁研究工作的辉煌时期。他的一项主要工作是研制火花室。他和许多优秀的学生一起研究超子衰变。然后跟菲奇研究中性K介子衰变,终于在1964年发现了CP破坏。
后来,克罗宁到法国参加萨克莱(Saclay)的核子研究中心,在那里工作了一年。他学会了法语,并用法语在法兰西学院作过演讲。1965年回到普林斯顿,开始和学生们一起进行一系列实验,以研究长寿命中性K介子的中性CP破坏方式。实验一直做到1971年。由于在芝加哥附近的费米实验室新建了一台400GeV的加速器,克罗宁执意要返回芝加哥,到芝加哥大学当物理教授。他利用400GeV加速器进行在高横向动量的情况下生成粒子的实验、直接生成轻子的实验和以更高的精确度研究中性K介子的CP破坏的参数。
菲奇1923年3月10日出生于美国内布拉斯加州一处农村的畜牧场主的家庭里,母亲是一位小学教师。那里人口稀少,他父亲与苏族的印第安人建立了友谊,父亲甚至会说印第安语。后来父亲因骑马受伤致残,只得举家迁到戈登(Gordon)市,在那里从事保险业。菲奇就在戈登市立学校接受基础教育。
第二次世界大战期间,菲奇应召入伍,被送到洛斯阿拉莫斯参加曼哈顿计划。他在英国派遣的科学家提特通(E.Titterton)指导下工作,受益良多。当时实验室虽小,他只不过是一名穿着军装的技工,但却亲眼目睹了众多的物理学伟人是如何工作的。他们中有:玻尔、费米、查德威克、拉比和托尔曼(Tolman)。为此菲奇后来曾写过一篇回忆录,刊登在《原子科学家》杂志上。菲奇在那里工作了三年,学习到许多实验物理技术,认识到最有成就的实验家也和自己一样非常熟悉电子学和电子技术,但是他自己只知道如何测量各种现象,而不会像物理学家那样去想如何利用已有的仪器,让思想自由地翱翔,并且创造做实验的新路子。
战后菲奇所在的物理部的领导人巴切尔(R.Bacher)为菲奇找到了一个研究生助教的职位,这时菲奇尚未完成本科学业。他到麦克吉尔(McGill)大学补完功课后,又到哥伦比亚大学当研究生。他在雷恩沃特(J.Rainwater)指导下做博士论文。有一天,菲奇到雷恩沃特的办公室,阿格·玻尔正在那里和雷恩沃特谈话,雷恩沃特见到菲奇,立即递给他一份惠勒(J.Wheeler)的预印本,是讨论μ子原子的,并向菲奇指出,这类原子系统也许是很好的题目。菲奇大受启发。此时实验技术也大大发展了。哥伦比亚的纳维斯(Nevis)回旋加速器正待运行。从加速器发出的μ子束可以根据射程加以区别。霍夫斯塔特的实验表明掺铊的碘化钠可以做成极好的闪烁计数器和γ射线能谱仪。RCA公司刚刚生产出新的光电管,很适于配合碘化钠晶体把闪烁信号转变为电信号。γ射线谱仪的其它组成部件还有多道脉冲高度分析仪,菲奇根据他在洛斯阿拉莫斯的经验设计成功并在技师的配合下做出了这台仪器。他的博士论文就成了第一次观测到μ子原子的重要文献。有趣的是,他们差一点失去了发现的机会。惠勒计算Pb中的2p-ls转变能量是根据核半径按公式R=1.4A1/3估算的,得到4.5MeV。于是他们把能谱调到这一能区。经过多次失败后,雷恩沃特建议他们把能区扩大些,结果在6MeV处出现了峰值(不是4.5MeV)。这样一来,他们又得到了一个重要成果,就是改进了原子核的计算公式,原子核的半径比其它途径推出的要小。不久霍夫斯塔特从其电子散射实验也得到同样的结果。μ子原子的测量极其精确地给出原子的平均半径,而电子散射的结果则可得到电荷分布的多种矩值,两者结合就可以给出最佳信息。









