【量子科學】發現希格斯粒子─在大強子對撞機回溯宇宙的起源

■“What we know is a drop, what we don't know is an ocean.”─Isaac Newton

 

圖片來源:Digital Vision.│Getty Images

撰文|李昀翰

前言

我們今日所了解的宇宙,是由一百三十七億年前,一個能量極高又極小的點(奇異點)在一次大爆炸後產生的。在極短的時間之內,許多的粒子出現了,宇宙急遽地膨脹到約目前的千分之一,我們所熟悉的質子、電子均已形成。今天宇宙仍在緩慢地膨脹,並且膨脹的速度逐漸加快,彷彿有一個力在推動。雖然對於宇宙的膨脹我們仍然不清楚。但我們已經稍微瞭解萬物的質量是如何產生的了。

質量之謎

重量是我們日常生活中最熟悉的概念之一,我們用重量來交換、買賣物品。後來我們知道,重量與質量有關,質量也與加速度、能量息息相關。

現在,我們所知的一切物質,都是由六個夸克與六個輕子組成,夸克可結合構成強子(例如我們熟悉的質子、中子)。這些粒子受四種作用力所支配,分別是強作用力、弱作用力、電磁力與重力。不同的作用力是透過交換不同的玻色子而作用的,例如兩個基本粒子之間的強作用力是透過交換膠子而有的,電磁力透過交換光子,弱作用力透過交換W、Z玻色子。問題是,這些基本粒子的質量從哪裡來呢?

五十年前,科學家們開始熱烈地討論質量的問題。當時人們提出了一個很好的理論,能夠將弱作用力與電磁力結合在一起,就好像從前將磁力與電力結合,稱為電磁力一樣。這個結合的力稱為電弱作用力。但是,有個非常嚴重的問題需要解決:為什麼這兩個作用力的交換玻色子質量相差如此之多?光子沒有質量,但Z、W玻色子的質量約是質子的一百倍。

這些科學家得到了一個非常美的答案,稱為Brout–Englert–Higgs mechanism。

這個非常天才的想法是:透過自發性對稱破壞,基本粒子就能夠擁有質量。

簡單的說,所有的粒子都是藉著與”希格斯場”交互作用而得到質量。W、Z玻色子有很大的質量,因為他們能直接與希格斯場交互作用,而光子卻不與此場有任何交互作用。這是個很美的理論,它預測了一個新的粒子─希格斯粒子的存在。

但是,自從1964年理論建立後,經過許多年都未找到希格斯粒子。

這就是我們之所以要建造大強子對撞機的原因:找到希格斯粒子。

LHCCMSATLAS

大強子對撞機(Large Hadron Collider)是一個非常巨大的環形加速器,它能將兩束質子加速到光速的0.99999999倍,然後在指定的位置對撞。藉著如此高速的對撞,瞬間可以達到極高溫、極大的能量轉移之下,產生許多高質量的粒子,帶我們回到宇宙的初始的那一刻。這瞬間產生的粒子當然也包含了希格斯粒子。

CMS與ATLAS是用來偵測對撞結果的偵測器。這兩個極其複雜的偵測器是由無數的子偵測器組成的,而CMS是由超過三千位科學家、九百位學生、一百九十三個機構、四十個國家所組成。一千位的學生與博士後研究員共事,可以完成不可能的任務。來自台灣的研究團隊參與了Preshower子偵測器的建造計畫。

下面是CMS的橫切圖,可看見偵測器的排列。

圖片來源:http://cdsweb.cern.ch

對撞在左側圓心處發生,不穩定的粒子,例如希格斯粒子,將瞬間衰變成其他穩定的粒子,例如電子、光子、渺子等等。若衰變後產生帶電粒子,則能透過其在磁場中的偏轉測得動量和電性。而黃色與綠色的區域是量能器,透過這些量能器能測得粒子的能量。外圍紅色區域則為渺子探測器,可測得渺子的能量與動量。

偵測器能測得每一次對撞後產生粒子的能量與動量,並能自動丟棄不重要的對撞結果。就好像一個非常先進的數位相機,有十億畫數,每秒可以快照四千萬張,而且能將不重要的照片過濾,僅留下重要的三百張。從這些照片裡,我們能找出希格斯粒子。

希格斯粒子的發現

圖片來源:http://cdsweb.cern.ch

在理論模型中,質子的對撞有機會產生希格斯粒子,而希格斯粒子有可能衰變為兩個光子。因此,可以找尋所有對撞後出現兩個光子的”照片”,計算兩光子其能量與動量守恆。若兩光子是由希格斯粒子衰變而來,則所得即為希格斯粒子之能量與動量。利用能量-動量方程式(E2=p2c2+m2c4),即可推算出其質量,為了簡化運算,我們將光速設為1,因此質量與動量的單位變成eV,與能量相同。我們無法分辨是否照片中的兩個光子真的由希格斯粒子而來,但因為希格斯粒子的質量固定,故真正由希格斯粒子產生的雙光子照片,其推算出的質量會是一個定值。若不是希格斯粒子產生的雙光子照片,則兩個光子並不相干,推算出的質量應為一隨機分布,稱之為背景。右圖中黑點為收集了無數張兩個光子的照片後,將每張照片對應的質量填入長條圖的結果。縱軸是統計數目。圖中綠色曲線為背景,而突起處代表有許多照片給出了一個特定的質量─125 GeV。

我們發現了一個”新的”粒子,質量是125GeV。ATLAS與CMS獨立運作,同步確認了這個事實。值得一提的是,LHC目前只在所設計的能量的一半運轉,且只用了預期數據量的三分之一,這樣一個不可能任務是怎樣完成的呢?這是由數以千計熱情的年輕科學家投入的結果。

那麼,下一步呢?

首先,我們需要進一步的確認,這是不是理論模型預測的希格斯粒子?

我們將理論中希格斯粒子預測的衰變一一與實驗比對。右圖中橫軸的1是理論預期質。結果發現理論與實驗對應得還算不錯,因此我們可以總結地說:”它走起來像鴨,叫起來像鴨,非常可能就是一隻鴨。”當然,真正的確認需要更多的數據與研究,也許需要幾個月、甚至幾年的時間才能完成。

我們確信我們有一個突破性的發現。希格斯粒子並非像其他粒子一樣,僅僅代表一個粒子,它扮演了一個極為重要的腳色。在大爆炸之後的千億分之一秒內,希格斯場充斥宇宙的每一個角落,給予每個粒子質量。有了這些質量,重力就能開始作用,產生了星球與宇宙的萬物。這個場支配了萬物的起源。現在,我們已經發現了塑造整個宇宙的基本素材,這個發現將改寫物理的教科書。

這是標準模型的一大成功,但仍然有許多問題是標準模型無法解釋的。長江後浪推前浪,我們現在仍有許多困難的問題,需要新秀的加入,來面對這些挑戰。

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3 thoughts on “【量子科學】發現希格斯粒子─在大強子對撞機回溯宇宙的起源

  • 2013 年 01 月 27 日 at 00:27:37
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    很棒的介紹,淺顯易懂,謝謝!

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  • 2013 年 02 月 12 日 at 23:47:02
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    it's totally good!
    I will show it in my store.

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  • 2013 年 05 月 15 日 at 17:24:54
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    原來寫手好厲害,在講座上坐在我旁邊的寫手都不告訴我他這麼厲害,外表看起來只像是台大研究生一樣的樸素,真的好厲害喔!

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