資訊處   4.9.2012

402

大型強子對撞機管道
緊湊渺子線圈實驗所用的矽晶片追跡系統
朱明中教授
彼得.希格斯
 
《中大通訊》第402期 > 洞明集 > 找到上帝粒子以後

找到上帝粒子以後

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電影《異形》裏破膛而出的外星生物,當年曾風靡一時,三十三年後,導演列尼.史葛推出這部經典電影的前傳《普羅米修斯》。新片的故事不但回溯從前,還藉着一趟九死一生的太空之旅,詰問人類的起源。

人類對於自己起源的探索,不只是藝術家發揮想像力的素材。在科學界,同樣的探索已進行了很久,而且更艱辛,但卻沒有那麼暴力和恐怖。物理學家眼中的物質宇宙,是由場、力、粒子、能量和物質組成。根據粒子物理學的標準模型解釋,那是弱核力、強作用力和電磁力共同作用的結果。

這一切解釋都很合理,問題是,這幅拼圖還少了一塊──基本粒子的質量是從何而來?為甚麼不同粒子有不同質量?半世紀之前,蘇格蘭物理學家彼得.希格斯(Peter Higgs)提出理論,認為有一種能量場令通過它的粒子獲得質量,人稱為希格斯場。

上帝粒子現身

中大物理系教授朱明中以水來比喻希格斯場。人走在水中,會有被拉曳和沉重的感覺,就像我們獲賦予額外的「質量」。希格斯場充滿質量或能賦予質量的粒子。如何證明真有這種場存在?試想盲人站在岸邊,向前投石,聽到石落入水的聲音,就知道前面是水而非陸地。同樣地,科學家擊破高能量粒子,引起爆炸會令希格斯場破裂,釋放出希格斯粒子,人從而可偵測和分析其痕跡。

但希格斯粒子,亦即後來人稱的上帝粒子,一直蹤跡杳然。人有此推算,上帝卻另有打算。這是因為當時的粒子加速器還不夠強大,無法令希格斯粒子釋放出來。但在2000年代後期,比以往的機器利害得多的大型強子對撞機面世,事情才有所改觀。

設在日內瓦歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機,深入地下九十米,圓周二十六點五公里,能夠以99.9999991%的光速撞擊質子,引發帶有希格斯粒子的火球,留下能讓人證明其存在的痕跡。今年起多個月來科學界已翹首企足,等待追蹤和證明上帝粒子的存在。到了7月,CERN的研究小組宣布找到推測是希格斯粒子,全球為之雀躍,但接下來的工作還有很多。

朱明中教授解釋:「CERN的科學家還要測量這種看似是希格斯粒子的各種衰變方式的比率,以確定它是否符合標準模型中的希格斯粒子。事實上,這種粒子的一些衰變方式是前所未見的。因此,我們還要做更多工作,觀察這種粒子的所有衰變模式。」朱教授估計到了今年底,他們應有比現在多一倍的統計數字,到時候會更有信心說那就是希格斯粒子。

朱教授還說:「如果真的找到希格斯粒子,CERN還要再尋找另外一些新的物理現象。最迫切的是測試超對稱理論,該理論預言有所謂『超對稱夥伴』的新粒子存在。如果他們未來幾年都找不到這些粒子,那麼超對稱理論問題可大了,連建基於其上的多種大一統理論都會變得靠不住。如果我們找到這些超對稱夥伴,就要測量它們的特性(質量和其他物理特質)。它們可能是人稱宇宙中的『暗物質』,了解它們的特質對於天體物理學和宇宙學都十分重要。」

尋找中微子

朱教授是大亞灣中微子振盪實驗國際團隊香港研究組的首席研究員。這個實驗共有二百多位科研人員參與,他們來自中國內地、美國、台灣、俄羅斯及捷克的三十九所院校。大亞灣的實驗有助解答一些令科學家困惑已久的有關中微子的問題。

朱教授說:「中微子是在核反應中產生的不帶電粒子,是最輕的基本粒子之一。中微子有幾種不同類型,但穿越空間與物質時幾乎不發生相互作用。和希格斯粒子一樣,它們也常常是杳無蹤影,難以偵測。根據粒子物理學的標準模型,中微子可能是沒有質量的。但現在我們知道,它們其實是有輕微質量,可能是它們與希格斯粒子發生相互作用時獲得的。發現希格斯粒子證明了標準模型,我們在大亞灣實驗所研究的課題──中微子振盪,則是標準模型範疇以外的事物。所以,中微子打開了一扇希望之窗,讓我們研究標準模型沒有涉及的領域。」

最近中大與CERN加強合作,與CERN的緊湊渺子線圈實驗簽署協議,促成中大科學家和學生參與研究項目。緊湊渺子線圈實驗是CERN的兩大主要實驗之一,目的是探測大型強子對撞機的高能量對撞所產生的多種粒子和現象。因此,它也偵測和確定包括希格斯粒子在內的基本粒子的存在。中大學生會繼續參與CERN暑期實習計劃,從這種難得的研究經驗中獲益。

《時代》雜誌一位作者寫道:「在CERN那深藏於地下的隧道中發現的玻色子,是萬物的本質。」('The Cathedral of Science', Time, 23 July, 2012, p. 31)這個萬物的本質令我們每一個人,包括科學家和一般人,都心生敬畏和心存信念。就像列尼.史葛的電影中普羅米修斯號太空船的生還者一樣,人類對於最終答案的追尋永不休止。

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