【活動側寫】2013 CMS Week Hitoshi Murayama (村山齊教授),暢談「神之粒子」征服全場!

2013 CMS Week  9月9日正式在集思臺大會議中心登場,本年度特邀請到Hitoshi Murayama (村山齊)教授帶來精采科普演講,大師魅力征服全場。

作者│朱書寬(國立台灣大學物理系三年級)  責編│Vita Chen(國立臺灣大學科學教育發展中心)

「宇宙由什麼組成的?」

「宇宙有個起點嗎?」

「宇宙最終會結束嗎?」

「我們從哪裡來?」

這些問題聽起來或許有些稚氣,但仔細回想,我們多久沒有甩去人世間的一切煩憂,靜靜地望著夜裡的蒼穹,被那些鑲嵌在黑幕上的繁星所感動;又多久沒有感謝太陽每天不停息地從東方升起,它帶我們溫暖,它滋養著我們的大地;我們更有多久沒有激情於世界的美麗,並用全身的力量高亢地吟詠著存在的自己,然後去探究那些小時候會問的問題。村山教授就像是一個小男孩,淘氣地在物理世界裡面玩耍,四處敲著大自然的門,好奇地探究大到天文小到基本粒子的宇宙。而整場演講,就如同一個小孩子在跟夥伴們分享著他在野外撿來的岩石,和他那些探險的故事。

關於宇宙和我們誕生的問題聽起來很難,千年來有多少的哲學家絞盡腦汁,花了一輩子的時間想要解答這些問題。透過他們一代一代的努力,再配合近四百年來不斷進步的觀察儀器和實驗技術,我們終於能夠窺看這世界一部分的模樣,儘管我們不確定我們所走的這條路是不是對的,儘管我們不知道在所知的世界裡面到底還存在著多少未知。我們巴不得有一台哆啦A夢的時光機,能夠穿越時空,一窺宇宙是怎麼誕生,以及宇宙是怎麼結束。但你可能不知道,現在物理學家們已經在用「時光機」來觀察宇宙了。

宇宙微波背景輻射(WMAP累積九年的資料)(來源:維基共享資源)

第一種「時光機」就是所謂的望遠鏡。無論是哪種波段、哪種口徑大小的望遠鏡,都是透過接收來自遠方的光,來觀察那些離我們太遙遠、肉眼看不見的星體。而狹義相對論告訴我們光速是一個定值,所以當我們看得越遠,其實也就看得越早。因此,現在我們看到的仙女座大星系其實是230萬年前的仙女座大星系,而裡面如果有生命不知已經過了多少個寒暑,同樣地,如果現在於仙女座的他們朝我們地球瞧瞧,鐵定看不到人類,取而代之的是許多人猿,穿梭在叢林、莽原之間。如果我們用更高解析度的望遠鏡拍攝離我們133億光年遠的宇宙,並試著不斷放大影像,我們甚至可以見到星系正在形成的模樣。可是當我們繼續朝更遠方看去的時候,我們發現四周籠罩著一道牆,它是一切光學望遠鏡的極限,物理學家們稱之為「宇宙微波背景輻射」(Cosmic Microwave Background, CMB)。那個時候宇宙才38萬歲,相較於現在宇宙的年紀,就好比地球上的15分鐘之於1年,只不過是個剛出生的嬰兒罷了。而比微波背景輻射更早些的宇宙,內部非常的熱,充滿著氫的游離氣體,也就是常聽到的電漿。光子在裡面行走可說是窒礙難行,使得物理學家們想看到更早期宇宙的決心也受到了阻礙。

於是乎,第二種「時光機」派上用場了,那就是我們的加速器。大家可能對加速器感到很陌生,覺得它離我們日常生活很遙遠,但事實上在日本許多大醫院裡面都有加速器,它們會產生電磁輻射,可以用來檢驗或是殺死癌細胞。其實我們可以仔細看看周遭,會發現其實那些比較舊的映像管電視和家家必備的微波爐裡面,都具有簡易的加速器,它們被用來形成影像和加熱食物,而物理學家們所用的加速器只是比一般的加速器規模更龐大、元件更複雜、能量更巨大而已。物理學家利用加速器加速粒子,產生高能量的對撞,模擬宇宙更早期的樣子,我們因而了解到宇宙剛形成的幾分鐘後,約有四分之一的質子會形成氦核,這和其他的觀測結果吻合得很好。而這些氫與氦再經過後來許多大質量恆星的燃燒,核反應成其它重要的元素:碳、氮、氧等,之後大質量恆星燃燒殆盡,並在大爆炸的過程中釋放出這些基本元素,最終變成了我們身體的一部分,其實我們都是「星之子」!

現在的標準模型,裡面有夸克(quark)、輕子(lepton)和傳遞作用力的規範玻色子(gauge boson),其中最右邊的希格斯玻色子(Higgs boson)是新發現的粒子。(來源:維基共享資源)

藉由各方面的觀測,結合了天文的觀測和地面上的加速器實驗,我們逐漸拼湊出宇宙的基本圖像,物理學家稱之為「標準模型」(Standard Model)。這項理論在許多方面都和實驗吻合的很好,但也引發出許多的問題。你可能不知道,即便在深夜,每秒鐘還是都有約一百兆個來自太陽的微中子穿越你的身體,而你根本毫無感覺,原因是微中子只參與弱交互作用,而不參與一般熟悉的電磁交互作用。弱交互作用(Weak force)顧名思義就是一種很微弱的作用力,和其他電磁力、強交互作用、重力等合起來被稱為自然界的四大作用力。它所能作用的距離很短,只有在十億分之一個奈米內反應才會發生,不像是電磁場在地球各處都可以看到指南針因為地磁而轉向。物理學家覺得很奇怪,為什麼同樣是基本的作用力,而弱作用力卻弱這麼多呢?

有洞見的物理學家們提出新的粒子來解決這個謎題,這個粒子後來被稱為「希格斯玻色子」(Higgs boson),而整個宇宙都瀰漫著希格斯玻色子,形成所謂的「希格斯場」(Higgs field)。在宇宙剛誕生的時候,世界非常滾燙,四處充滿著不安分的希格斯玻色子,就好比火山口剛噴發出來的水蒸氣分子一般,到處飛來飛去、非常混亂。在這個時候,所有的粒子,包含那些傳遞弱交互作用的粒子,都不會受到希格斯玻色子的影響,它們跟傳遞電磁交互作用的光子一樣,暢行無阻地以光速運動,這時弱作用力和電磁力是一樣強的。不過世界很快就冷卻了下來,在溫度達的時候,奇怪的事情發生了:希格斯玻色子就如同結冰的冰塊一般,井然有序地排列,好像被凍結住了,並賦予了許多粒子質量,使得他們減速下來,也讓那些傳遞弱交互作用的粒子不再橫行,因而弱交互作用被減弱了許多,儘管如此,光子並沒有受到希格斯玻色子的影響而攜帶質量,它們仍以光速行走。而這就是為什麼弱作用力比電磁力弱很多的原因,它同時也解釋了電子為什麼甘願被原子核所束縛,形成原子:一旦和希格斯玻色子的交互作用被關掉,所有的電子都會以光速遠離你我的身體,相信這不會是我們所樂見的。

你或許會問說,既然希格斯玻色子這麼重要,那為什麼我們感受不到它呢?這是因為希格斯場就像是空氣一般,我們早就習慣它的存在了,平常也就不會注意它,不過只要空氣一旦受到擾動,我們的皮膚就能感覺到風,同樣的道理,如果我們能夠從凍結的希格斯場用力敲出希格斯玻色子,我們或許就能夠觀察到它。於是,物理學家們在歐洲建立了「大強子對撞機」(Large Hadron Collider, LHC),把質子束加速到接近光速對撞,試著尋找希格斯玻色子的蹤跡──標準模型的最後一片拼圖。令人興奮地,在去年(西元2012年)的七月四號,兩大偵測器──緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid, CMS)和超環面儀器(A Toroidal LHC Apparatus, Atlas)──的團隊各自宣布發現了新的粒子,而進一步的研究發現這個新的粒子和理論所預測的希格斯玻色子在許多性質上都非常相似(比方說自旋為零),幾乎可以說它就是希格斯玻色子。

有洞見的物理學家們提出新的粒子來解決這個謎題,這個粒子後來被稱為「希格斯玻色子」(Higgs boson),而整個宇宙都瀰漫著希格斯玻色子,形成所謂的「希格斯場」(Higgs field)。在宇宙剛誕生的時候,世界非常滾燙,四處充滿著不安分的希格斯玻色子,就好比火山口剛噴發出來的水蒸氣分子一般,到處飛來飛去、非常混亂。在這個時候,所有的粒子,包含那些傳遞弱交互作用的粒子,都不會受到希格斯玻色子的影響,它們跟傳遞電磁交互作用的光子一樣,暢行無阻地以光速運動,這時弱作用力和電磁力是一樣強的。不過世界很快就冷卻了下來,在溫度達的時候,奇怪的事情發生了:希格斯玻色子就如同結冰的冰塊一般,井然有序地排列,好像被凍結住了,並賦予了許多粒子質量,使得他們減速下來,也讓那些傳遞弱交互作用的粒子不再橫行,因而弱交互作用被減弱了許多,儘管如此,光子並沒有受到希格斯玻色子的影響而攜帶質量,它們仍以光速行走。而這就是為什麼弱作用力比電磁力弱很多的原因,它同時也解釋了電子為什麼甘願被原子核所束縛,形成原子:一旦和希格斯玻色子的交互作用被關掉,所有的電子都會以光速遠離你我的身體,相信這不會是我們所樂見的。

你或許會問說,既然希格斯玻色子這麼重要,那為什麼我們感受不到它呢?這是因為希格斯場就像是空氣一般,我們早就習慣它的存在了,平常也就不會注意它,不過只要空氣一旦受到擾動,我們的皮膚就能感覺到風,同樣的道理,如果我們能夠從凍結的希格斯場用力敲出希格斯玻色子,我們或許就能夠觀察到它。於是,物理學家們在歐洲建立了「大強子對撞機」(Large Hadron Collider, LHC),把質子束加速到接近光速對撞,試著尋找希格斯玻色子的蹤跡──標準模型的最後一片拼圖。令人興奮地,在去年(西元2012年)的七月四號,兩大偵測器──緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid, CMS)和超環面儀器(A Toroidal LHC Apparatus, Atlas)──的團隊各自宣布發現了新的粒子,而進一步的研究發現這個新的粒子和理論所預測的希格斯玻色子在許多性質上都非常相似(比方說自旋為零),幾乎可以說它就是希格斯玻色子。

超環面儀器(A Toroidal LHC Apparatus, Atlas)。(來源:維基共享資源)
緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid,簡稱CMS)。(來源:維基共享資源)

然而物裡並沒有因此而停歇,我們仍有許多問題尚待解決:會不會希格斯玻色子之所以自旋為零,只是因為它在其他的維度裡面旋轉?希格斯玻色子有沒有可能其實不是基本粒子?希格斯玻色子會不會還有兄弟姊妹?希格斯玻色子是不是有機會和暗物質作用?我們希望能用更多的方式來研究希格斯玻色子,研究宇宙當初是怎麼被結凍,研究宇宙更早期的模樣。為此有許多的物理學家已經在規畫20年後的加速器ILC(International Linear Collider),它和大強子對撞機不一樣的地方在於,前者使用電子和正子(電子的反粒子,攜帶正電)對撞,而後者使用的則是質子跟質子,因為質子是很複雜的複合粒子,相撞後根本是一團混亂,但電子和正子都是基本粒子,研究起來就容易多了。除此之外,村山教授還參與了SUMIRE計畫,他們利用Subaru望遠鏡來觀察星空,形成的影像可達三億畫素,它比哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)更廣角,效率更高,省下了更多的時間。


或許物理學家唯有透過地面上的實驗和天文觀測的不斷地相比較,以及各方面的努力,才能夠逐步了解宇宙的樣貌,才能夠回答「宇宙由什麼組成的?」「宇宙有個起點嗎?」「宇宙最終會結束嗎?」「我們從哪裡來?」等的根本問題。

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One thought on “【活動側寫】2013 CMS Week Hitoshi Murayama (村山齊教授),暢談「神之粒子」征服全場!

  • 2013 年 10 月 31 日 at 02:04:31
    Permalink

    有洞見的物理學家們提出新的粒子來解決這個謎題.....相信這不會是我們所樂見的。
    還有
    你或許會問說,既然希格斯玻色子這麼重要......幾乎可以說它就是希格斯玻色子。
    以上這兩段連續重複了唷!
    也謝謝您的文章^^

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