2012 十一月號

第八十五期電子報  出刊日期:1011116   


 

通往希格斯粒子之路

 

經過30年的追尋,科學家似乎找到了那難以捉摸的粒

它奇特的性質意味著一個物理新時代可能就要來臨。

 

  撰文/黎奧丹(Michael Riordan)、東奈里(Guido Tonelli)、吳秀蘭(Sau Lan Wu)

翻譯/高涌泉

 

2012年6月14日深夜,一群群在大強子對撞機(LHC)工作的博士後研究員以及研究生,開始查看一個剛打開的數據快記區。LHC這座巨大加速器坐落於日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN),幾個月前,它才從冬天休眠狀態甦醒過來;自那時起,LHC已經產生了極大量的數據。但是LHC最大兩個實驗組的6000多名物理學家,卻很怕他們在分析數據之時,無意間加進了自己的主觀偏見,因此他們相約在6月中前完全不去知道結果,也就是執行所謂的「盲分析」,一直要等到6月中,在發狂挑燈夜戰之後,才揭開答案。

 

眾多年輕科學家徹夜分析剛開放的數據。雖然LHC這個巨大的對撞機「餵養」了很多實驗,但是只有其中兩個最大的實驗:超導環場探測器(ATLAS)與緊緻緲子螺管偵測器(CMS),才擔負著尋找希格斯玻色子(Higgs boson)的責任,這個大家找尋已久的粒子是粒子物理標準模型(即次原子世界的理論架構)唯一還沒補足的拼圖片。質子在這兩個實驗的龐大偵測器裡對撞,產生的次原子碎片源源噴出,由偵測器記錄下來。對於這些碰撞殘餘物仔細且獨立的分析,可能揭露一閃即過的新現象,其中或許包括那難以捉摸的希格斯粒子。但是偵測器必須過濾大量的粒子軌跡以及留下的能量,在此同時,還得忍受低能量背景粒子的不停衝擊,而有趣的訊號可能會被這些背景粒子遮蓋掉。這就好像一方面從消防水管喝水,同時還要用你的牙齒搜出幾粒很小的金子。

 

幸好,科學家知道自己要尋找的是什麼。在度過LHC啟動初期所遇上的災難性意外(2008年LHC啟動九天之後,連接兩個磁鐵的電路接頭發熱並熔化了,產生巨大的火花,刺穿附近的容器,因而釋出了幾公噸的氦氣,把幾十個昂貴的超導磁鐵從支座上扯了下來)之後,對撞機在2011年間已經蒐集了很多數據,足以看到希格斯粒子的初步跡象。

 

在LHC於2011年10月停止運轉(這是事先排定的冬季停機)之後,ATLAS的發言人吉亞諾提(Fabiola Gianotti)與當時CMS的發言人、同時也是本文作者之一的東奈里,於12月中在擠滿了人的CERN大講堂,一起給了一場特別的學術演講。這兩個實驗團隊都從數據中看到意味著希格斯粒子存在的跡象。

 

此外,這些希格斯粒子的跡象也相互呼應。ATLAS與CMS都看到了兩個總能量為125GeV(GeV為10億電子伏特,是粒子物理的質量與能量標準單位,大約等於一個質子的質量)光子射出的事例,這些事例的次數比預期的背景值還多上數十個。如果質子碰撞產生了壽命很短的希格斯玻色子,它們可以衰變成兩個光子,而這兩個實驗也都發現,總能量約為125GeV的四個帶電荷輕子(電子或緲子)射出的事例數量比背景值高,它們可能來自希格斯粒子(見40頁〈找尋希格斯粒子的四條線索〉)。這種情況前所未見,表示某種真實的東西開始要從數據中浮現。

 

不過由於粒子物理的標準很嚴格,2011年的一切訊號尚未強到足以宣稱「發現」了希格斯粒子。在過去,類似的數據訊號經常後來就消失無蹤,也就是它們只是隨機的漲落而已。LHC在今年春季成功運轉,11個星期間的質子碰撞次數就比2011年一整年還要多,蒐集的更多數據可以輕易地把去年看到的跡象給抹除掉,讓它們淹沒於背景雜訊之中。 

 

當然,也可能出現相反的情況。如果之前的跡象的確來自真實的希格斯粒子,而不僅是殘酷的統計漲落,則所有的新數據將提供研究人員絕佳的機會,得以宣稱正式發現了希格斯粒子,讓數十年的搜尋劃下句點,並開啟了解物質與宇宙的全新時代。

 

漫漫追尋30年

 

希格斯玻色子從來就不是另一個粒子而已,因為現代粒子物理是由一組環環相扣的理論構成的,稱為標準模型,而希格斯粒子正是標準模型這個宏偉智性體系的基石。英國愛丁堡大學的希格斯(Peter W. Higgs)在1964年提出有這樣一個粒子存在,它是一種微妙機制的必然結果,這個機制賦予基本粒子質量;比利時布魯塞爾大學的翁勒(Francois Englert)與布饒特(Robert Brout)以及英國倫敦皇家學院的三位研究人員也獨立提出了這個機制:宇宙的每個角落都充滿了一種難以捉摸、極纖細的流體(稱為希格斯場),它讓基本粒子帶有各自的質量,希格斯粒子即是這種流體的實體展現。由於人們在1970年代發現了夸克與膠子,到了1980年代初,質量很大的、傳遞弱核力的W玻色子與Z玻色子也被發現了,大部份的標準模型便已很精巧地組合起來。

 

雖然理論學家宣稱希格斯粒子(或某種很像它的東西)必須存在,卻無法預測它的質量,再加上其他的因素,尋找希格斯粒子的研究人員沒有太多線索可循。早在1984年,人們便以為看到了這樣一個粒子,因為似乎有一個質量小於九倍質子質量的粒子,出現於位於德國漢堡、翻新之後的低能量電子正子對撞機。它看似希格斯粒子,但是在進一步研究後,這個初步的可能性便被排除了。

 

多數理論學家同意希格斯粒子的質量應該更高上10~100倍。如果是這樣,我們就需要一座遠比費米國家實驗室的正負質子對撞機(Tevatron)更大、能量更高的對撞機,才足以發現希格斯粒子。Tevatron是周長為六公里的質子–反質子對撞機,完成於1983年。同一年,CERN開始建造花費10億美元的大型電子正子對撞機(LEP),在日內瓦附近挖了周長為27公里的圓形地道,四度跨越法國與瑞士國境。雖然LEP有其他重要的物理目標,希格斯粒子仍是它最想捕捉的對象之一......

 

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2012年第129期11月號】

 


 

活動訊息_圖示


 

主題:當我們「擺」在一起!-擺的演示
   帶著彩虹走-「掌中光譜儀」製作
 日期:101.11.15(四) 10:00~13:30
 地點:高雄中學(高雄市建國三路 50 號)
 師資:朱慶琪教授
    中央大學物理系
 課程代碼:1114780

主題:實作課程與機器人操作
 日期:101.11.15(四) 13:00~16:00
 地點:國立善化高中科學館一樓視聽教室
 師資:吳煥文副教授
    南榮技術學院機械工程系

 

 

主題:奈米世界的介紹
 日期:101.11.27(二)09:00~12:00
 地點:嘉義高工 行政大樓4樓視聽教室
 師資:何孟書教授
    中興大學

主題:魔鏡DIY-神奇的隱身術
 日期:101.11.29(四) 13:00~17:00
 地點:臺中一中 科學館B1物理演示教學教室。
 師資:張宇靖老師
    國立臺中一中



主題:2012自然領域數位化科學實驗演示教學
    研討會
 日期:101.12.08(六) 09:00~17:00
 地點:臺中一中 科學館B1物理演示教學教室。
 師資:陳洋元 副所長
    中央研究院物理所
    陳秋民教授
    東吳大學物理系
    余國滔博士
    前北京大學物理系客座教授

主題:資訊融入物理教學
 日期:101.12.18(二) 13:00~16:00
 地點:新竹高中新民樓二樓會議室
 師資:林春煌老師
    臺北市立大理高中
 

 

2012第一屆數位化科學演示會
自然領域數位化科學實驗演示教學

活動時間:2012.12.08(六)09:00~17:10
地  點:東吳大學物理系第一教研大樓R501()
地  址:臺北市士林區臨溪路70號(外雙溪校區)
參加對象:國高中自然科領域教師,預計70名額滿
      為止
報名方式:網路報名,即日起至11月30日止,需教
      師學習時數認證者,請逕行至
     全國教師在職進修網報名

 

2012【高中基礎科學教學研習會】
 

活動時間:2012.12.08(六)9:00~17:10
地  點:交通大學光復校區電子資訊研究大樓
參加對象:現任國內各公私立高中職教師200名(數
     學、物理、化學、生物每科名額40-
     50位,每校每科以兩位為原則,歡迎實
     習老師報名)。
報名方式:網路報名,請逕行至思源科技教育基金會網站報名

 
 

 

物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html
聯絡電話:(04)22226081轉811          聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人: 王昭富   蔡沛霖