【量子科學】打開盒子-通往希格斯粒子之路

■ 開講前廳外已聚集了許多民眾,演講廳內更擠得水洩不通,走道上都坐滿了興致勃勃的聽眾,引首企盼講者Tonelli教授的到來。

主講人 Guido Tonelli 教授 (Pisa大學; CMS 實驗 2010-2011 發言人)

撰文|蕭維翰

2012年7月4日下午,尋常台北溽暑,對地球上某個族群卻意義非凡。我躲在檯燈下、螢幕前,與全世界關切物理的同好一起收看CERN的記者會,看著126GeV左右的那個峰值、Pf. Higgs泛淚的雙眼──儘管猶有許多未定之數──“I think we have it. Do you agree?’’ 我的一廂情願讓我相信這天一座巍峨的里程碑在物理史上被立起。約兩個禮拜前,我在系館的佈告欄的繁多演講公告中瞥見了 Pf. Tonelli的頭像,細看其來歷與演講資訊,竟然是關於 Higgs(-like) Boson 的演說!過兩天,擔任系學會副會長的同學詢問我擔任此活動側寫人員的意願,尋不著理由拒絕的我一口答應下來──此即本文的前世因緣了。本文不涉及過分深入的物理內容,如標準模型(Standard model)組成、希格斯機制(Higgs mechanism)的細節等;而著重從側面描繪整個演講活動的進行,記錄非物理、物理本科的聽眾與Pf. Tonelli在演講中的互動,並參考筆者自身成長閱聽的經驗抒發一些感想。

活動前一個小時,自演講廳外走過,廳外已聚集了許多民眾,更有中小學的同學集體前來。開講前演講廳內更擠得水洩不通,連走道上都坐滿了興致勃勃的聽眾,引首企盼講者Tonelli教授的到來。時辰一到,演說便隨著Tonelli教授的簡報展開,條目的安排十分有邏輯:首先簡介我們尋找Higgs Boson的動機,從質量在物理學中扮演的角色、標準模型描述的世界、電弱作用的統一、標準模型中質量產生的機制(Spontaneous Symmetry Breaking and Higgs Mechanism)、我們所知的世界與我們所知的有限(Tonelli教授笑稱他甚至無法跟他孫女解釋我們周遭環境內究竟有什麼),緊接的是大強子對撞機(LHC)的簡介,包括地景及兩個大型實驗團隊CMS與ATLAS的位置、設施、偵測器的基本想法與工作人員等,以及我們寄予它的期待──一部強力的顯微鏡與強力的望遠鏡,帶領吾人探索至小與至遠的宇宙角落。隨後,教授簡略了提出了我們在實驗中主要捕捉的三個衰變過程,並秀出圖表討論實驗結果,清楚地指出透過那些跡象,兩個實驗團隊得以做出發現新粒子的結論。最後,提點了一些未來的可能性,若此粒子真是眾所期待的Higgs則如何,若不是又如何;也鼓勵台下的我們,他口中下一個世代的物理學家,一同投入他們的探索歷險。

Tonelli教授對於時間的掌握十分精準,因而我們有十分充裕的Q&A時間。相較於專業的研討會,科普演講的問答時間,就我看來,是格外有趣的:從一般聽眾的提問,我們可以窺知普羅大眾對於該議題的大概想像,以及他們的期待。儘管有時候問得並不精確或甚至荒誕,但對於專業人士也不失為是一個新的可能視角的開闢,同時也可以估計哪一類議題的科普讀物吸引了民眾的目光;另一方面,如何不涉及艱澀的數學術語而又能盡量精確的將物理圖像傳達給聽眾也讓我們檢視講者對於整個問題的體會。長達一個多小時的開放問答,問題大多集中在幾類:

  1. 自發對稱性破缺為什麼、如何與質量有關?
  2. 究竟是不是我們期待的Higgs Boson?
  3. 對大統一理論的幫助如何?

(1) 牽涉到比較專精的量子場論知識。追溯筆者自身經驗,高中時在成大聽講知道對稱性破缺的概念時幾乎不能想像,因為中小學對於「對稱」的使用幾乎侷限於圖形的鏡像與點對稱;直到進入物理系才知道對稱可以指稱系統任何的不變性質,也從而較能明白其意涵。Tonelli教授與侯教授回答此問題時採用了一個很典型的墨西哥帽位能分布的圖像,說明沿著帽緣的激發不需要能量而要往帽心爬升需要能量,粒子因而在此機制下獲得質量;另外侯教授還舉了磁浮列車所使用之超導體的例子,希望讓聽眾日後在搭乘列車時能有更進一步的感受。(2) 則不只是觀眾們好奇的問題,自7月的記者會以來,全世界最多疑的一個族群,物理學家,也一直在探討。儘管不少人抱持如本文開頭“I think we have it. Do you agree?’’的樂觀心態,然而,最保險地,我們大概只能說:「我們找到了一個玻色子。」要檢查此粒子是否符合Higgs Boson在理論上的所有性質,仍有好幾年的時間要走。(3)又夾雜了超弦理論、額外維度的觀測、對於暗能量的解釋等等議題。Tonelli教授回答得很保守,大意為這個發現其實無法總結太強的結論,比較正確的看法應該是:「這個粒子的發現為我們開了一扇窗,一扇通往新物理的窗,世界正等著我們往外看去。」

現場發問十分踴躍,教授也不在意超時熱心回答。除了上面三個較熱絡的主題,也有同學問及Higgs Boson 與重力子(Graviton)的關聯、超對稱(supersymmetry)議題、LHC接下來的任務走向、團隊的工作氣氛、生活型態以及關於異國的合作互助,其中Tonelli教授表示他們之所以能超越預期的進度,很大部分要歸功於來自不同地區最優秀的青年學子、年輕研究員們相互的切磋成長。提及工作的熱情,教授微笑地表示:「從事科學是幸運的,今天即便沒有薪水,我也願意投入這個工作;更何況這工作是給薪的!」

會後與幾位學弟妹閒聊,或許對講題的內容也是懵懵懂懂,但見他們的眼睛充滿了無限的憧憬與景仰,倒映著Tonelli教授的學者風骨。誰說今之學者為人?系內修課的歲月,許多同儕迷失或窒礙於課業的繁重與生活中細碎的雜事,少了心力去思索自己要為之燃燒的生涯,僅能盲目地點水,得之為幸,不得乃命。我們總是被鼓勵去追求卓越,卻鮮少考慮同時是否真切地擁抱了熱情。大三的筆者雖未敢稱老,卻也已辭別了少年歲月(以teen計歲的日子哪),關於生活的故事,能帶著的只怕愈發稀少。然而,就如我現在仍記得在成大的那場演講般,我相信(或說期許)無論將來走在哪個領域的小徑上,2012年分別在7月與12月的兩個午後都將被我刻劃在記憶的碑拓上,難以抹滅。

是晚筆者與同學漫步於蒲葵道上,被兩個邁開大步的長者超前,我定睛一看,竟是Tonelli教授與侯教授,身影頎長,沿著夕照走去。20世紀的門即將闔上了,而21世紀的窗帷正掀,不待我們蹉跎。

本文為《發現希格斯粒子: 在大強子對撞機回溯宇宙的起源》科普演講特稿。
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責任編輯:Nita Hsu

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