物理

粒子物理很有味道

物理學家透過研究粒子風味轉變的過程,以間接方式推敲出更高能量的未知粒子,期望修補粒子物理標準模型,但處理數據與理論計算也必須更加謹慎。

撰文/陳凱風

物理

粒子物理很有味道

物理學家透過研究粒子風味轉變的過程,以間接方式推敲出更高能量的未知粒子,期望修補粒子物理標準模型,但處理數據與理論計算也必須更加謹慎。

撰文/陳凱風


如果用「很有味道」形容食物,通常代表很美味;如果形容人,可以是很有修養和氣質,當然也可能是沒洗澡。如果用味道來描述「粒子物理學」,絕對與不良生活習慣無關,而是指物理學一個特別的領域,稱做「風味物理」(flavor physics)。粒子物理學的標準模型中有六種夸克與六種輕子,也就是各有六種「風味」,各別具有特定的量子數,例如同位旋(isospin)以及奇異數(strangeness),並且遵守特定的對稱性。


「風味」這個有趣的說法來自夸克模型之父葛爾曼(Murray Gell-Mann)與他的學生弗里奇(Harald Fritzsch),他們當年在美國加州「31冰淇淋」討論:夸克就和冰淇淋一樣各有顏色及味道。顏色指的是夸克的「色荷」(color charge),味道對應到夸克的「風味」。


風味物理就是探討與基本粒子種類相關的物理特性,包括夸克與輕子的質量排序、夸克或微中子之間的混合角(mixing angle)和相位(phase)。夸克間的混合角是標準模型裡很重要的參數,用來描述在弱作用裡一種夸克如何改變風味變成另外一種;另外,粒子物理學家喜歡用的一種矩陣,也就是著名的卡比博-小林-益川矩陣(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix, CKM矩陣,可一口氣納入所有參數)藏著一個無法消除的相位,意味標準模型中具有產生荷-宇稱破壞(CP violation)的機制。CP破壞代表的是物質和反物質必須有那麼一點差距,我們、星球與銀河才能存在,沒有在宇宙大霹靂時和反物質一起湮滅。


標準模型是很成功的理論,幾乎能解釋各式各樣的實驗結果,但至今仍不能解答許多與風味物理相關的大問題。例如,為何有這麼多種夸克與輕子?為什麼有三代?是否有更多?它們為何是這般排序?為什麼會有特定的對稱性?宇宙物質與反物質的差距到底怎麼來?就算不討論宇宙大尺度的問題,單看我們對化學元素排列的理解,就會發現我們對於基本粒子的一些特性其實不太明白。


新粒子、新現象、新物理學


為了更了解宇宙,物理學家理所當然想要做出突破,最直覺與普遍的想法,是我們只測量到其中一些基本粒子,尤其看著它們的排序,總讓人覺得「少了點什麼」,加入未知的粒子有助於解答這些未解之謎。如果能發現更多基本粒子,就算無法搞定所有問題,也可帶給我們更多推理的線索。這就是為什麼粒子物理學家一天到晚嚷著要尋找新粒子、新現象,而這也是大多實驗的目標,例如位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)正努力運轉大強子對撞機(LHC)。截至目前為止,LHC最重要的成果是發現希格斯玻色子,但嚴格來講這項發現只是再度證實標準模型,而不是真的發現了「新物理」,畢竟希格斯玻色子早就是標準模型的核心。


粒子物理學幾十年來歷經大大小小的實驗,雖然過去的研究並非都無懈可擊、滴水不漏,但要完全錯失一種粒子,還真不太容易。一般假設新粒子的測量多半超出過去的實驗精確度,一是粒子的反應率非常低,偵測器的靈敏度不及,二是粒子太重,超過加速器的能量上限而無法撞出來。第一項假設可用在暗物質的候選粒子:根據科學家觀測,看得到的物質質量通通加起來不足以支撐整個星系的結構,可能還有反應率非常低而不可見的暗物質存在。如果能透過實驗驗證符合條件的新粒子,就能對這個「天大」的問題有些著墨。


如果漏網粒子只是太重,並非不太反應,這樣修補標準模型的缺陷就相對簡單。這不難想像,只要有更多粒子,它們也許會和已知粒子湊成對,或共同符合一些對稱性,有助物理學家猜測背後的機制。這類事件在科學史上不斷出現,元素週期表就是很好的例子:我們看到越來越多種元素,便推測這些元素是由不同數量的質子與中子組合而成。夸克的發現也很類似,當物理學家發現種類越來越多且複雜的介子與重子,從它們的排列組合就能猜出組成的夸克是什麼。


要發現又重且前所未見的新粒子,最直接的辦法就是提升加速器的能量尺度,只要超過新粒子的質量就有機會撞出,這也是少數能完整測量新粒子物理特性的方法。粒子物理學家總希望建造能量更高的加速器,從實驗數據中找到新物理的蛛絲馬跡。然而,受限加速器的尺寸與製造強力磁鐵的技術,一般很難馬上實現,大多都要花十幾年建設並投入大量經費。以現今對新一代超級加速器的要求標準,早已不是物理學家能單獨處理的科學問題,而是與政治經濟有關的跨國計畫。


見微知著


也許有人會問,如果距離新一代對撞機問世還有點時間,那我們什麼事都不能做了嗎?其實不然,這就回到「風味物理」領域,如果仔細研究夸克或輕子的風味變化,有時也能「發現」尚未真正撞出的新粒子!最經典的例子就是魅夸克(charm quark,或稱粲夸克)的提出。科學家當年從實驗中觀察到,中性K介子(K0)的弱作用衰變(參見右頁〈間接尋找未知粒子〉上圖)相當罕見,但理論上透過變味中性流(FCNC),衰變就相對容易發生,為何K0介子難以衰變為雙緲子?


為了解釋此現象,科學家在1970年提出格拉肖-李爾普羅斯-梅安尼機制(Glashow-Iliopoulos-Maiani mechanism, GIM機制),認為K0介子有兩種衰變途徑會互相抵銷,並引入第四種夸克,也就是魅夸克;魅夸克隨即在1974年由丁肇中和芮克特(Burton Richter)分別發現。K0介子質量相當半個質子,但魅夸克比質子還重30%。也就是說,即使質量、能量不足,只要仔細分析罕見的變味中性流反應,科學家還是很有機會「推理」出更重粒子的存在。1980年代,科學家研究中性B介子(B0)時也有類似推理過程,藉此預測頂夸克的特性(參見右頁〈間接尋找未知粒子〉中間圖)。




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