企鹅是怎样走进粒子物理学的

2017 年 9 月 25 日 中科院高能所 邢志忠

■邢志忠/文

1975年7月，三位俄罗斯理论物理学家Arkady Vainshtein、Valentin I. Zakharov和Mikhail Shifman在前苏联的专业物理学期刊JETP Letters上发表了一篇讨论K介子衰变的论文，其中第一次计算了奇异夸克（strange quark）通过下面左图所进行的单圈衰变过程。1995年10月，Mikhail Shifman教授在回忆20年前的这一重要工作时，把相应的费曼图（Feynman diagram）简化成了下面的右图，这就是粒子物理学中著名的“企鹅图”。

图片来源：维基百科、aps.org

其实真正让企鹅走进物理学的是英国理论物理学家John Ellis。他在和别人打赌输了之后，不得不绞尽脑汁把“企鹅”这个本来与基本粒子毫无关系的动物引入物理学来描述夸克的味道改变中性流过程。在维基百科的“Penguin diagram”词条中，有John Ellis本人对这段往事的详细记叙，这里我们只是简略地描述一下故事梗概，补充一些与科学问题本身有关的史实以及“企鹅图”的后续故事。

John Ellis 图片来源：维基百科

1977年6月30日这一天，美国费米实验室宣布发现了第五种夸克，即底夸克（bottom quark）。消息一出，全世界的粒子物理学家都兴奋异常。身为欧洲核子研究中心（CERN）理论部科学家的John Ellis马上和他的合作者Mary Gaillard、Dimitri Nanopoulos以及Serge Rudaz着手计算底夸克衰变过程中的物质-反物质不对称效应。就在这期间的一个晚上，正在CERN实验组实习的美国女学生Melissa Franklin约John Ellis和Serge Rudaz到附近的一家小酒馆玩飞镖，并打了一个难度很大但小女生味十足的赌：假如John Ellis输掉了投飞镖的游戏，他就必须在下一篇学术论文中使用“企鹅”一词。后来Melissa Franklin本人有事提前离开了小酒馆，但Serge Rudaz最后却赢了John Ellis。当然，John Ellis本人故意输掉了游戏也说不定。

总之，John Ellis选择了遵守自己的承诺，但把企鹅与底夸克物理联系起来绝非易事，这让他大伤脑筋。据John Ellis本人回忆，他在某天晚上和几个朋友一起抽了一点不合法的东西之后，回到自己的住处继续写论文，突然间脑洞大开，发现底夸克的味道改变中性流衰变的费曼图其实可以画成企鹅的形状，并把它称作“企鹅图”。John Ellis及其合作者迅速完成了这篇论文，并在1977年7月14 日将它投到了欧洲物理学会主办的专业期刊Nuclear Physics B，很快就正式发表了。这几位作者在论文的结尾之处感谢了Melissa Franklin等同事以及与他们的有益讨论。The phenomenology of the next left-handed quarks（下一种左手夸克的唯象学），Nuclear Physics B 131 (1977) 285，这篇论文不仅成就了“企鹅图”一词在粒子物理学中的广泛应用，而且成为研究夸克混合与物质-反物质对称性破缺的经典文献。

2012年10月，笔者应邀在日本福冈海滨举办的第一届Asia Europe Pacific School of High Energy Physics国际讲习班授课时，听John Ellis教授讲述了“企鹅图”的后续故事。据说加拿大裔美国理论物理学家Mark Wise曾在加州理工学院的一场学术报告中提到了著名的“企鹅图”，当时坐在听众席上的物理学大师Richard Feynman不屑一顾地指出，“企鹅图”其实长得并不像企鹅。听了费曼这话，在场的另一位物理学家马上义正词严地反驳道：“费曼图”长得也不像费曼！

2017年9月15日，在上海交通大学李政道图书馆举办的国际研讨会招待晚餐期间，John Ellis教授在大家的怂恿下又讲了一遍自己创造的“企鹅图”的故事，引来听众的阵阵笑声。毫无疑问，科学家们在好奇心的驱动下探索未知和享受发现，但也不可避免地要忍受寂寞和经受失败的考验，因此拥有一颗童心和足够的幽默感至关重要——这既是一种健康的生活态度，也是激发创造力的心灵源泉。