【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

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。

LHC、CMS、ATLAS

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。

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

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。