通往希格斯粒子之路

經過30年的追尋，科學家似乎找到了那難以捉摸的粒子

。它奇特的性質意味著一個物理新時代可能就要來臨。

撰文／黎奧丹（Michael Riordan）、東奈里（Guido Tonelli）、吳秀蘭（Sau Lan Wu）

翻譯／高涌泉  

2012年6月14日深夜，一群群在大強子對撞機（LHC）工作的博士後研究員以及研究生，開始查看一個剛打開的數據快記區。LHC這座巨大加速器坐落於日內瓦附近的歐洲核子研究組織（CERN），幾個月前，它才從冬天休眠狀態甦醒過來；自那時起，LHC已經產生了極大量的數據。但是LHC最大兩個實驗組的6000多名物理學家，卻很怕他們在分析數據之時，無意間加進了自己的主觀偏見，因此他們相約在6月中前完全不去知道結果，也就是執行所謂的「盲分析」，一直要等到6月中，在發狂挑燈夜戰之後，才揭開答案。 

眾多年輕科學家徹夜分析剛開放的數據。雖然LHC這個巨大的對撞機「餵養」了很多實驗，但是只有其中兩個最大的實驗：超導環場探測器（ATLAS）與緊緻緲子螺管偵測器（CMS），才擔負著尋找希格斯玻色子（Higgs boson）的責任，這個大家找尋已久的粒子是粒子物理標準模型（即次原子世界的理論架構）唯一還沒補足的拼圖片。質子在這兩個實驗的龐大偵測器裡對撞，產生的次原子碎片源源噴出，由偵測器記錄下來。對於這些碰撞殘餘物仔細且獨立的分析，可能揭露一閃即過的新現象，其中或許包括那難以捉摸的希格斯粒子。但是偵測器必須過濾大量的粒子軌跡以及留下的能量，在此同時，還得忍受低能量背景粒子的不停衝擊，而有趣的訊號可能會被這些背景粒子遮蓋掉。這就好像一方面從消防水管喝水，同時還要用你的牙齒搜出幾粒很小的金子。 

幸好，科學家知道自己要尋找的是什麼。在度過LHC啟動初期所遇上的災難性意外（2008年LHC啟動九天之後，連接兩個磁鐵的電路接頭發熱並熔化了，產生巨大的火花，刺穿附近的容器，因而釋出了幾公噸的氦氣，把幾十個昂貴的超導磁鐵從支座上扯了下來）之後，對撞機在2011年間已經蒐集了很多數據，足以看到希格斯粒子的初步跡象。 

在LHC於2011年10月停止運轉（這是事先排定的冬季停機）之後，ATLAS的發言人吉亞諾提（Fabiola Gianotti）與當時CMS的發言人、同時也是本文作者之一的東奈里，於12月中在擠滿了人的CERN大講堂，一起給了一場特別的學術演講。這兩個實驗團隊都從數據中看到意味著希格斯粒子存在的跡象。 

此外，這些希格斯粒子的跡象也相互呼應。ATLAS與CMS都看到了兩個總能量為125GeV（GeV為10億電子伏特，是粒子物理的質量與能量標準單位，大約等於一個質子的質量）光子射出的事例，這些事例的次數比預期的背景值還多上數十個。如果質子碰撞產生了壽命很短的希格斯玻色子，它們可以衰變成兩個光子，而這兩個實驗也都發現，總能量約為125GeV的四個帶電荷輕子（電子或緲子）射出的事例數量比背景值高，它們可能來自希格斯粒子（見40頁〈找尋希格斯粒子的四條線索〉）。這種情況前所未見，表示某種真實的東西開始要從數據中浮現。 

不過由於粒子物理的標準很嚴格，2011年的一切訊號尚未強到足以宣稱「發現」了希格斯粒子。在過去，類似的數據訊號經常後來就消失無蹤，也就是它們只是隨機的漲落而已。LHC在今年春季成功運轉，11個星期間的質子碰撞次數就比2011年一整年還要多，蒐集的更多數據可以輕易地把去年看到的跡象給抹除掉，讓它們淹沒於背景雜訊之中。 

當然，也可能出現相反的情況。如果之前的跡象的確來自真實的希格斯粒子，而不僅是殘酷的統計漲落，則所有的新數據將提供研究人員絕佳的機會，得以宣稱正式發現了希格斯粒子，讓數十年的搜尋劃下句點，並開啟了解物質與宇宙的全新時代。

漫漫追尋30年 

希格斯玻色子從來就不是另一個粒子而已，因為現代粒子物理是由一組環環相扣的理論構成的，稱為標準模型，而希格斯粒子正是標準模型這個宏偉智性體系的基石。英國愛丁堡大學的希格斯（Peter W. Higgs）在1964年提出有這樣一個粒子存在，它是一種微妙機制的必然結果，這個機制賦予基本粒子質量；比利時布魯塞爾大學的翁勒（Francois Englert）與布饒特（Robert Brout）以及英國倫敦皇家學院的三位研究人員也獨立提出了這個機制：宇宙的每個角落都充滿了一種難以捉摸、極纖細的流體（稱為希格斯場），它讓基本粒子帶有各自的質量，希格斯粒子即是這種流體的實體展現。由於人們在1970年代發現了夸克與膠子，到了1980年代初，質量很大的、傳遞弱核力的W玻色子與Z玻色子也被發現了，大部份的標準模型便已很精巧地組合起來。 

雖然理論學家宣稱希格斯粒子（或某種很像它的東西）必須存在，卻無法預測它的質量，再加上其他的因素，尋找希格斯粒子的研究人員沒有太多線索可循。早在1984年，人們便以為看到了這樣一個粒子，因為似乎有一個質量小於九倍質子質量的粒子，出現於位於德國漢堡、翻新之後的低能量電子正子對撞機。它看似希格斯粒子，但是在進一步研究後，這個初步的可能性便被排除了。 

多數理論學家同意希格斯粒子的質量應該更高上10~100倍。如果是這樣，我們就需要一座遠比費米國家實驗室的正負質子對撞機（Tevatron）更大、能量更高的對撞機，才足以發現希格斯粒子。Tevatron是周長為六公里的質子–反質子對撞機，完成於1983年。同一年，CERN開始建造花費10億美元的大型電子正子對撞機（LEP），在日內瓦附近挖了周長為27公里的圓形地道，四度跨越法國與瑞士國境。雖然LEP有其他重要的物理目標，希格斯粒子仍是它最想捕捉的對象之一......

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2012年第129期11月號】

  本文轉摘自普通高級中學課程物理學科中心2012年十一月份電子報