【2013諾貝爾】物理獎 ─終於,來到了!

2012年7月4日,François Englert 和 Peter Higgs 都出席了CERN 宣布發現希格斯粒子的會議現場。(圖片來源:CERN)

撰文 ∣ 侯維恕 (臺大物理系教授)

■ 2013年的諾貝爾物理獎於10月8日宣布頒給比利時布魯塞爾自由大學的方司瓦•盎格列 (François Englert) 與英國愛丁堡大學的彼得•希格斯(Peter Higgs),理由是「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制,所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLAS和CMS實驗找到,因而獲得證實」。


盎格列與已過世的同事羅伯•布繞特 (Robert Brout,1928–2011),以及希格斯,在1964年分別提出理論機制,可以讓傳遞作用力的粒子變得有質量。如此一來,便容許弱作用力能與電磁作用力融合為「電弱作用」(1979年諾貝爾物理獎)。這個通稱希格斯機制的理論發現,從此勢必以BEH機制為正式名稱;可惜布繞特已於兩年前仙逝,無緣獲獎。在諾貝爾委員會所引用的得獎理由裡,清楚寫出盎格列與希格斯獲獎是因為所預測的基本粒子最近、也就是在2012年7月4日,被CERN的ATLAS與CMS實驗找到。這顆粒子便是大家近來耳熟能詳的希格斯粒子、俗稱「神之粒子」。ATLAS與CMS實驗,台灣都有參加,而台大團隊參加的是CMS實驗。這顆上帝粒子,物理學家可說找了近50年,去年終於在約126 GeV/c2、或銫與鋇原子質量之間「找到了!」,完成了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖。而盎格列與希格斯也在發現一年後,分別以80及84高齡終於等到了期待已久的榮譽。

羅伯•布繞特 (Robert Brout,1928–2011)

1960年代的困境

我們現在的粒子物理標準模型,是所謂的SU(3) x SU(2) x U(1) 的「規範場論」,其中的SU(3)與SU(2),和U(1)不同,是所謂的「非阿式」(Non-Abelian) 規範群。但在混亂的1960年代,雖然U(1)或「阿式」規範場論架構的量子電動力學QED極為成功,然而場論的路線卻被懷疑是行不通的、標準模型在當時還子虛烏有、連夸克的存在都沒有被普遍接受 …。

當時的混亂,一大部分原因是1950年代以來發現了太多與強作用力相關的「基本粒子」,讓人難以招架。但若撇開強作用粒子,將視野侷限在較簡單的類似電子的「輕子」,那麼輕子的弱作用仍讓人費解。其實,在1961年葛拉曉 (Sheldon Glashow,1979年諾貝爾獎) 便已提出弱作用在概念上可以與電磁作用做SU(2) x U(1)的統一,但在實質面則問題十分嚴重。電磁的作用粒子、也就是光子,是不帶質量的,但弱作用的作用粒子則重到差不多有溴原子那麼重,兩個理論要如何調和?事實上問題更根本得多:不管是阿式或非阿式規範場論,背後的規範不變性都要求規範粒子,也就是作用粒子,必須是無質量的。所以QED沒有問題,但非阿式規範場論的問題就大了,因為對應的弱作用,需要很重的作用粒子。非阿式規範場論就是1954年楊振寧先生與密爾斯所提出的Yang–Mills理論,而規範粒子質量問題,連楊先生也不知道如何解決。

自發對稱性破壞與BEH機制

受到超導理論的啟發,南部 (Yoichiro Nambu,2008年諾貝爾獎) 在1960年提供了解決粒子質量問題的契機,建議類比超導的自發對稱性破壞機制可提供作用粒子以質量。但勾德石東 (Jeffrey Goldstone) 旋即證明這樣的自發對稱性破壞一定有伴隨的無質量、無自旋的粒子,我們卻沒看到。1962年,安德森 (Philip Anderson,1977年諾貝爾獎) 指出勾德石東定理的破解之道,宣稱「勾德石東的零質量困難並不嚴重,因為我們或可用楊–密爾斯的零質量問題與之對消。」他之所以用「或可」,因為他專攻的是凝態物理,所以僅做了非相對論性的討論。然而後續的發展,一直讓他耿耿於懷,直到他獲得諾貝爾獎。其實南部何嘗不是如此呢?在他2008年得獎的演講中,關於希格斯機制問題他還說「我以為電漿與麥斯聶 (Meissner) 效應已經將之確立了。」

1964年時,比南部和安德森年輕的布繞特、盎格列與希格斯都只有30來歲。布繞特出生在紐約,專攻是統計物理。盎格列於1959年到康乃爾大學成為布繞特的博士後研究學者。有趣的是,1961年盎格列返回布魯塞爾,布繞特竟從康乃爾辭職,舉家遷到布魯塞爾、並入籍比利時。他們兩人十分欣賞南部1960年的論文,將自發對稱性破壞應用到楊–密爾斯規範場,發現未被破壞的對稱子群其規範粒子維持零質量,但被自發破壞的規範對稱性,其規範粒子則獲得質量。這篇論文於1964年6月26日投遞到物理回顧通訊 (Physical Review Letters,PRL),發表於1964年8月31日。

著作不多的希格斯於1954年獲國王學院博士學位之後,曾在愛丁堡待過兩年,於1960年回到愛丁堡任教。他當時的部份職責是從學校的中央圖書館收納期刊,登錄後將其上架。1964年7月中,他看到了一篇6月中的PRL論文,宣稱相對論性理論無法逃避勾德石東定理。但希格斯心中反駁說,在規範場論中因為處理規範不變性的操作細節,是可以逃避勾德石東定理的。一個禮拜後,他便投出一篇兩頁的論文到當時以CERN為基地的物理通訊 (Physics Letters),於9月中刊出。但論文投出後,他就明白應當怎麼做:將自發對稱性破壞用在最簡單的U(1),亦即量子電動力學。一個禮拜後,他投出第二篇論文,沒想到卻被拒絕,然而他卻因禍得福。他將論文擴充,主要是強調這樣的理論是有和實驗相關的結果,亦即有新粒子,在8月31日投遞到PRL,於10月19日發表。這多少是希格斯粒子命名的由來。

還有另外兩組人做了類似工作,一組是當時在英國國王學院的三位美、英學者,10月19日投稿、11月16日發表在PRL。在蘇聯也有兩位資優大學生得到類似想法,但因師長不信,一直到1965年11月才獲准投遞期刊。想必是因為短時間內的後繼者眾,雖然布繞特已逝,諾貝爾委員會並沒有補上第三人。

發現神之粒子

1967年,溫伯格 (Steven Weinberg) 與薩蘭姆 (Abdus Salam) 分別將 BEH機制應用到葛拉曉的SU(2) x U(1) 統一場論,一時卻也沒有翻轉天地。但到了1970年拓弗特 (Gerard ’t Hooft) 與維爾特曼 (Martin Veltman) 證明了非阿式規範場論的可重整性 (1999年諾貝爾獎)、數年後強作用非阿式規範場論的突破 (2004年諾貝爾獎),以及三代夸克的提出與驗證 (2008年諾貝爾獎),標準模型終於建立,人們也在1970年代後期開始關切希格斯粒子的實驗驗證。葛拉曉、溫伯格與薩蘭姆則因1978年史丹福精密實驗的驗證而獲1979年諾貝爾獎。

為何會被稱為上帝粒子?這可是出自1988年物理獎得主雷德曼 (Leon Lederman) 的手筆。美國在1983年通過興建周長84公里、質心能量40 TeV的超導超能對撞機SSC,第一目的便是尋找希格斯粒子,而雷德曼是推手。他在1993年出了一本名為「上帝粒子」的科普書,詼諧的他在書中說「為何叫上帝粒子?原因有二,其一因為出版商不讓我們叫它『神譴粒子』(Goddamn particle),雖然以它的壞蛋特性及所造成的花費,這樣稱呼實不為過 …」。可惜出書未久,在耗費十年20億美金之後,美國把SSC計畫取消了,拱手將主導權讓給歐洲。

(圖片來源: Maximilien Brice, Copyright © CERN 2008)

歐洲核子研究中心CERN在1994年正式通過大強子對撞機LHC計畫,在2000年正式開始在27公里周長的隧道中興建。雖於2008年初次運轉失利,但2010年以來運轉出奇的好,2011年12月已現徵兆,於2012年7月4日ATLAS與CMS實驗共同宣布發現希格斯粒子。但當年的諾貝爾獎提名期限大概已過,因此才等到今年。而除了前述1999–2004–2008的時間序列外,今年有兩個蛛絲馬跡,顯示得獎之高度可能。先是在3月份義大利山裡的粒子物理冬季Moriond會議,參與的物理學家共同宣稱不再是「似希格斯粒子」而是「一個」希格斯粒子 (亦即還不確定是否有更多)。我推想這是為了確定將希格斯粒子推入年度短名單。而兩年一度的歐洲高能物理大會,今年7月恰好在斯德哥爾摩舉行,會中有一場希格斯的特別回顧演講,講完後有一位女士自聽眾席特別發言讚賞。我坐得太遠,不知是否就是10月8日給報告的那一位。

諾貝爾委員會特地在得獎理由中,一方面強調理論機制的提出,另一方面指名所預測的粒子被ATLAS與CMS實驗發現而進一步驗證。在此特以小小的希格斯站在大大的CMS實驗 (台大所參與) 中間作為結束。

[後記]

我們在2012年12月曾邀請CMS前發言人托內利 (Guido Tonelli) 作「發現希格斯粒子」的科普演講,今年9月又剛邀請美國文理學院院士村山齐作「神之粒子,然後呢?」的科普演講,兩者皆作中文口譯。要進一步了解希格斯粒子發現的意義,可觀賞下列延伸影音:

【與大師有約科普講座】發現希格斯粒子: 在大強子對撞機回溯宇宙的起源 / Guido Tonelli 教授


【與大師有約科普講座】神之粒子, 然後呢/  Hitoshi Murayama

● 特別感謝侯維恕教授提供此文稿。

責任編輯 Vita Chen


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