希格斯粒子系列》上帝粒子之後的夢

上帝粒子之後的夢
知識通訊評論第120期

2012年7月，物理學家宣布發現希格斯粒子的可能證據之後，高能實驗物理有提出建造下一個加速器的提案。但是科學家心知肚明，目前全球經濟困窘，只為科學發現投入過多的經費，是脫離現實的夢想，而根據過去歷史經驗，許多大科學計畫，也莫不是政治現實裡的產物。

世界各地的粒子物理學家在2012年7月5日清晨醒轉，腦中對摻雜著喜悅、淚水、如釋重負的場景，記憶猶新，心中同時則另有一個巨大的問號。猶新的記憶是前—天的慶祝活動，研究人員宣布，他們終於從「大強子對撞機」（LHC）得到的數據，發現一個新粒子，與科學家尋覓多時的希格斯玻色子極其相似。「大強子對撞機」設於瑞士日內瓦近郊的「歐洲粒子物理研究中心」（CERN）。巨大的問號則將重新定義粒子物理學這門學科的未來。這個粒子，是否就是希格斯玻色子的一個最簡形式，一如粒子物理學有40年歷史的標準模型所預測？又或者這是更複雜、有趣的發展，將發展出更深入、更完整的一套理論？

物理學家希望，在未來幾年大強子對撞機就能解開他們的心中迷惑。但是他們同時鼓起如簧之舌，遊說再造一個新機器，來取代。這個「希格斯工廠」的新機器，將提供比大強子對撞機更為精確的測量數據。

「國際直線對撞機」（ILC）是繼大強子對撞機之後讓科學家們寄予厚望的候選大機器之一。

帕沙迪納「加州理工學院」物理學家巴瑞許（Barry Barish）說，「我們知道標準模型外，肯定另有新物理。」他和許多物理學家都肯定認為，原因是既有的若干現象，無法套入標準模型中來解釋，例如疑似占宇宙質量密度四分之一，具有隱形架構的「暗物質」，以及名為中微子的粒子從一種形式「振盪」到另一種的能力。巴瑞許是設計「國際直線對撞機」（ILC）一個全球組織體的負責人。ILC是大強子對撞機之後的候選大機器之一。即使沒人知道新物理學會是什麼，巴瑞許說，「我們的策略是，為事情的發生事先作好準備。」

2012年9月10日至12日在波蘭克拉科舉行的歐洲粒子物理學策略研討會，針對ILC的成本、時程、能力以及其他候選機器進行減視。會議同時訂定未來五年粒子物理學研究的輕重緩急。美國粒子物理學家2013年6月在美國科羅拉多州集會時，將進行類似的討論。

不過，計畫常與現實背道而馳。大強子對撞機一案獲得批准時，擔任歐洲核子研究組織主席，現為英國牛津大學能源研究部主任盧溫納─史密斯（Christopher Llewellyn-Smith）表示，任何新機器經費的籌措，尤其經濟不景氣時，將是「艱鉅的任務」。盧溫納─史密斯說：「一切將視大強子對撞機能否發現其他新粒子，以及新設施和它的造價能否贏得粒子物理學界的無異議支持。即使新機器能和大強子對撞機有同樣的聲勢，成本可由全球高能量物理穩定的預算支應，仍將困難無比。」

大強子對撞機的成功

波蘭克拉科研討會的討論重點之一，是大強子對撞機研究團隊在測量新粒子屬性上，能夠達到何種精準程度。在大強子對撞機工作的物理學家預期，未來會獲得更多數據，而且未來十年對撞機也還會進行大升級。

眼前已有的好消費者就是：類希格斯粒子的質量，約是1250億電子伏特（125 GeV），10億電子伏特（GeV）是物理學家常用能量單位，此一能量是落在理論學家預估範圍較輕的一頭。它有兩大意涵；一是科學家僅需要一個相對較普通能量的新對撞機，就能量產希格斯玻色子，二是新粒子具有豐富多樣的衰變模式，讓物理學家可以更容易的研究新粒子與其他標準模型粒子間的相互作用。

粒子物理學的優先研究選項之一，是探究標準模型預測的，希格斯與標準模型中費米子的相互作用。電子、μ介子和夸克這些粒子，都帶有二分之一量子單位的內在角動量，或稱「自旋」。每個粒子相互作用的概率，應與它的質量成正比，特別是，根據標準模型，其他粒子在與希格斯作用時產生了質量。

另一個優先尋找的真相，是驗證新粒子的自旋，具有標準模型值「0」。大強子對撞機的物理學家已經確定，新粒子是一個玻色子，意謂它的自旋量子單位可能是0、1、2或其他整數，但物理學家也很肯定，這個整數不會是1。兩個結論都得自現有的實驗結果。新粒子會衰變成光子對，這些光子是「自旋一」的玻色子。「歐洲粒子物理研究中心」「高密度μ介子螺線管」探測器實驗組的物理學家德勒克（Albert de Roeck）說，物理界還無人提出自旋大於二玻色子的瘋狂理論，因此目前的任務，是確定它是否如理論家所預測的，是一個「自旋2」或「自旋0」「純量」的玻色子。

「歐洲粒子物理研究中心」主任霍耶爾（Rolf Heuer）說，大強子對撞機可望對自旋問題提供解答，較不清楚的是，大強子對撞機在測試新玻色子與其他粒子的相互作用上，能提供多少貢獻，尤其是希格斯以「自我作用」來產生其本身的質量。目前，大強子對撞機物理學家可確定的是，在目前百分之三十至百分之四十測量不準性情況中，新的玻色子與其他粒子的相互作用，與標準模型的預測一致。根據德勒克，對撞機可望在今年底前，將不準性降低至百分之二十，未來十到十五年，再降至百分之十以下。

不過，許多物理學家說，這正是他們需要新一代機器的理由。要對標準模型進行真正嚴格的測試，即必須讓研究人員在不準性低於百分之一，甚至百分之零點一的環境下進行實驗，才能找出細微偏差，得出更佳的模型。然而大強子對撞機並無這種能耐。它宛如一把大錘，將含有數千億個質子的光束撞擊在一起，最後讓每一光束達到七兆電子伏特的能量。這有助於發現新的中重粒子，但無助於精確測量，因為質子是大量混雜的夸克與膠子，讓撞擊雜亂無序。

所有與新一代機器相關的建議，都屬於某種的輕子對撞機。輕子是一組輕的粒子，包括電子、μ介子和微中子，因為不需透過夸克─膠子的強相互作用來產生，可避開混雜撞擊結果。輕子是基本粒子，且僅能透過較微弱的電磁和弱力相互作用。結果是，輕子對撞機較像解剖刀而不是把大錘：它們的碰撞可調成一個特定粒子的質量，而所產生的粒子噴注，也相對乾淨與容易解讀。

介子或電子

大正負電子對撞機（LEP）。

部分物理學家指出，另一個相對價廉的選擇，是在大強子 對撞機現有隧道中，加裝新加速器的管束，用來讓   電子與反電子（又稱正電子）迎面對撞。去年大強子 對撞機發現新粒子證據增加時，科學家提出上述提議。此提議名為LEP3，因為隧道中原有一個大正負電子對撞機（LEP），2000年大強子對撞機開始建造時才停用。LEP3利用每束120GeV能量光束，總能量240GeV，就可以產生希格斯玻色子，這僅較原先LEP最高能量的209GeV高出一階。希格斯玻色子的產量將因新近技術提升增加，    新技術的對撞率，或是「照度」，可望較LEP高出500倍。

在大型強子對撞機隧道建造LEP3，將可再利用大型強子對撞機的一些粒子探測器，並可以「歐洲粒子物理研究中心」現有的基礎設施提供電力、維修並取得數據。這些省錢之道，可讓LEP3的預估成本降至10億與20億美元之譜，遠低於大強子對撞機60億美元造價。日內瓦大學，主張打造LEP3的布隆代爾（Alain Blondel）說：「我們的想法是盡可能殺低成本。」布隆代爾指出，在不廢棄大強子對撞機情況下，應該仍有建造新輕子對撞機的空間。隧道的原始設計即是可供兩種對撞機同時運作。

LEP3具有高產出希格斯工廠的優點，缺點是無法研究重量大於希格斯的粒子。這可能是個問題，若是情況真如粒子物理學家所希望，大強子對撞機最後發現如超對稱理論所預測的較重新粒子，甚或發現其他空間，豈不令科學家扼腕。提高LEP3能量，對較重的粒子進行研究，幾乎是不可能的事，原因是同步輻射（帶電粒子沿著曲線路徑放射出光子流束）造成的能量損失太大。

大強子對撞機的質子無此問題，因為較高質量的粒子，同步輻射的能量損失大幅下降。質子的質量約是電子的兩千倍。LEP3的能量損失預期將非常嚴重。提高LEP3加速器能量的唯一途徑是擴大它的半徑，但是如此做，即必需挖掘新隧道。有物理學家主張開挖一條新隧道，延伸至日內瓦湖下方，並安裝一個80公里長的圓形正負電子對撞機，但「歐洲粒子物理研究中心」主任霍耶爾說，在可預見的未來，建造希望渺茫。

與此同時，世界各地物理學家也在探索替代希格斯工廠的另一些構想，一個遠小於LEP3，或許周長小至一點五公里的機器。藉由質量是電子207倍的類電子粒子μ介子來撞擊，這個μ介子機器的同步輻射損失幾乎可以忽略不計，且可在相對於LEP3的240GeV，對撞總能量僅125 GeV，便能產生成千上萬個希格斯玻色子。它還有能力提高能量，研究較重的粒子。

不過，μ介子對撞機也有缺陷，其中之一是，μ介子在2.2微秒的極短時間內，即會衰變成電子和中微子。在次原子領域中，粒子的壽命往往以奈秒的兆分之幾計算，μ介子的壽命算是長的。但在工程領域中，μ介子是稍縱即逝。在加速器中，μ介子的產生，是先將質子束射向一個金屬靶，後讓它「冷卻」，或是將之成為有秩序排列的光束，最後再加速至所需的能量，這些全在一眨眼間完成。

這項挑戰正由英國牛津附近，盧瑟福實驗室的μ介子電離冷卻實驗（MICE）設法解決。MICE預計2016年得到研究成果，屆時冷卻技術可望進步到可讓「歐洲粒子物理研究中心」建立一個微中子工廠，作為μ介子對撞機的踏板，讓科學家發射μ介子微中子束穿越地球，到數千里外的一個探測器，例如研議將設置在芬蘭的新探測器。

對這個μ介子對撞機，許多物理學家抱持懷疑態度。牛津大學物理學家佛斯特（Brian Foster）說，「我懷疑這輩子能看得到μ介子對撞機。我們試圖冷卻μ介子已超過十年，但它就是非常困難。」

佛斯特是另一個競爭的構想，即直線正負電子對撞機歐洲地區的負責人。這個機器基本上是一個長而直的電子加速器，對準一個等長、一樣直的桶狀正電子加速器發射，兩者的光束在半途中撞擊。因為它並無曲率，因此沒有同步輻射能量損失。而且兩個加速器都可加長尾端，提高能量。

高能直線對撞機的構想始於1980年代，且最終結合成兩個概念。「國際直線對撞機」（ILC）是由全球實驗室與大學合組的聯合體，長約30公里，使用已驗證的超導加速器技術，達到○點五TeV（兆電子伏特）的能量，可能升級到一TeV。ILC團隊不久將公布技術設計報告，該計畫成本目前預估67億美元。歐洲核子研究組織鼓吹的高密度直線對撞機（CLIC），將近50公里長，但將使用新的加速技術，達到3TeV的能量。CLIC的成本較ILC不明朗，因為目前僅有一個概念設計報告出爐，但因它能量較高，有望為新發現與精準測量開拓新境界。

兩項設計的性能在理論上都已獲得廣泛研究，但在實踐上，根據MICE的發言人布隆德爾，仍是一個「大問號」。他以加州門羅公園的史丹佛直線對撞機（Stanford Linear Collider ，SLC）為例說 ，SLC的能量表現約是100GeV。「SLC的最終運作效果很不錯，但它從未產生他們想要的照度。它是一個非常強悍的機器，但是我們討論的ILC與CLIC，是困難得多的東西。」

若不是大多數，至少對許多粒子物理學家而言，某種形式的直線對撞機似是最佳選擇。2012年6月，總部設在伊利諾州巴達維亞的「國際未來加速器委員會」將ILC 與CLIC結合成單一的「直線對撞機」計畫，由大強子對撞機前主任艾凡斯（Lyn Evans）擔任總召集，預計2015年年底提出單一直線對撞機建議案。

艾凡斯認為，明智之舉，是建立一個開始為250GeV的直線對撞機，來探測希格斯玻色子，接著分階段提高其能量，一直到達500GeV。屆時，直線對撞機已能產生許多成對的希格斯玻色子，讓研究人員探究這些希格斯如何自我隅合以及與最重粒子頂夸克的相互作用。他說，提高能量在技術上可行，只是需要更多，相當於一個中型電廠的電力。在實作中，他說，「我想電力的上限，是可提供給『歐洲粒子物理研究中心』的最高量，亦即3億瓦。」

除了技術，最大問題在哪個國家將負責主持下一個數十億的輕子對撞機。佛斯特指出，根據經驗法則，為謀求長期經濟回報，東道國通常會負責籌措一半費用。然而目前世道艱難，恐怕沒有國家勇於出頭，對政治人物而言，這種計畫看不見可用以討好選民的短期利益。

望向全球

直線對撞機若在未來數年獲得批准，艾凡斯說，可能不會建在「歐洲粒子物理研究中心」。儘管這個歐洲實驗室有豐富的技術和政治基礎，但它已有大強子對撞機，且該機2014年才能達到每一粒子束7TeV的能量，根據設計，2022年左右，該對撞機才會進行照度升級。掌控國家粒子物理學支出，英國科學與技術設施委員會執行長沃默斯里（John Womersley）說，「我敢打賭，歐洲策略研討會的最高優先，是繼續使用並讓大強子對撞機升級。」

美國不可能成為新對撞機的所在地，費米實驗室主任兼國際未來加速器委員會主席歐杜恩（Pier Oddone）說，「因為那涉及研究領域的巨大轉變。」費米實驗室的2TeV「萬億電子伏特對撞機」（Tevatron）關閉後，最高能量範疇的研究從美國轉向歐洲。現今美國的策略是專注於「強度範疇」，研究由強微中子束引起的罕見粒子相互作用。此外，歐杜恩說，「今年初，我們的預算遭到大砍，連費用僅ILC十分之一的（長基線中微子實驗）設施都有困難。」歐杜恩表示，這種時候要求美國對在其他國家建造的輕子對撞機伸援，真的「緣木求魚」。

許多觀察家認為，主持新計畫的候選國，以日本可能性最高。1990年代中期，大強子對撞機資金吃緊時，日本曾傾力注資。艾凡斯說，「或許該是歐洲回報的時刻。」2011年12月，科學家對新的玻色子發表初步發現，日本首相在發表談話，表達對ILC的興趣。日本在資金上似乎仍有餘裕，提及這個新加速器時，日本將它視為311大地震、海嘯、核災後，重新繁榮地方一項廣泛經濟計畫的一部分；日本的初步計畫為，將ILC所在地建設成一個「國際城市」的中心，整個城市由數個研究實驗室、工業區、教育中心結合而成。日本粒子物理學家今年更新五年規畫，ILC仍是他們願望清單上的首選。筑波的KEK實驗室執行長鈴木（Atsuto Suzuki）解釋，具體而言，粒子物理界的建議是，「如果大強子對撞機證實希格斯玻色子真的存在，日本應該在實現一個正負電子直線對撞機的初期，居於領導地位。」

看來ILC建造有望？佛斯特說，「老天，當然不是這樣！但這是許久以來我們有的一個大好機會。」沃默斯里認為建造機會是五五波。他說，「我們不該認為，既然發現了希格斯，金錢方面理所當然不成問題。」沃默斯里以新一代的微中子實驗為例，指出支持它的科學家大有人在。歐杜恩估計，ILC從破土動工到運作，外加準備時間，至少需要10年完成。歐杜恩說，「換句話說，它至少是2025年後的事，但在了解大強子對撞機還有什麼其他發現前，誰會啟動這種重大計畫？可能還有比希格斯更瘋狂的事發生。」

2012年7月從「大強子對撞機」得到的數據發現一個新粒子，是否就是科學家尋覓多時的希格斯玻色子最簡形式？

對許多粒子物理學家來說，最理想的景況，是大強子對撞機在歐洲探究高能量的領域，數個微中子實驗在美國鑽研強度範疇，另一個新的輕子對撞機在日本尋找所有異於尋常，迄今大強子對撞機撞擊還未發現的新粒子。英國曼徹斯特大學物理學家懷特（Terry Wyatt）說，「我樂見物理界朝此方向前進，歐、美、亞每個地區的計畫都有國家在背後撐腰。」懷特是大強子對撞機ATLAS探測器的參與者之一。

科學界一向如此，要讓美夢成真，就要說服圈外人。歐杜恩說，「這種事情可能在粒子物理範疇外獲得解決。可能是一位總統和一位總理一通電話就能拍板定案。」