Newsletter No. 402

4 No. 402, 4.9.2012 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。 找到上帝粒子以後 Still Harping on the Higgs? T hirty-three years after his Alien started the cult of the thorax-bursting body snatchers, director Ridley Scott gave us a prequel to the saga in the form of Prometheus . The actions in the latter film have not only gone back in chronological time but also redirected the seemingly doomed space journey towards the origin of the human race. Man’s quest for his origin is not fodder for the imagination of the artists only. In science a similar but more rigorous quest has been going on for quite some time, with less violent or ghastly manifestations. Physicists view the physical universe in terms of fields, forces, particles, energy and matter. The standard model of particle physics explains its working as a combination of the weak nuclear force, the strong force and electromagnetism. All is so very well, but there is a missing piece to the jigsaw. Where does the mass of the fundamental particles come from? And why do different particles have different masses? A half century ago, the Scottish physicist Peter Higgs theorized that there is an energy field which gives mass to particles trawled through it. Tracking God Particle Prof. Chu Ming-chung , professor of physics at CUHK, likened the Higgs field to water. When we walk in water, we feel we are pulled back or weighed down, as if we have been given extra ‘mass’. That is a field suffused with mass or mass-giving particles. How can the existence of the field be proved? Imagine a blind man standing on the shore. By throwing a stone into the water, he can tell by the sound of the water breaking that it’s all water instead of rock in front of him. Similarly, scientists would smash 朱明中教授 Prof. Chu Ming-chung 彼得．希格斯 Peter Higgs ©CERN ©CERN