物理

粒子物理革命即將來臨

一旦我們用遠超出目前粒子加速器所及的能量,去檢驗準粒子物理模型,這模型就會開始出問題。所以無論大型強子對撞機有什麼發現,粒子物理必會進入新天地。

撰文/奎格(Chris Quigg)
翻譯/高涌泉

物理

粒子物理革命即將來臨

一旦我們用遠超出目前粒子加速器所及的能量,去檢驗準粒子物理模型,這模型就會開始出問題。所以無論大型強子對撞機有什麼發現,粒子物理必會進入新天地。

撰文/奎格(Chris Quigg)
翻譯/高涌泉

重點提要
■大型強子對撞機(LHC)一旦開始探索未知的領域,一定會發現新穎又刺激的東西。
■粒子物理的標準模型需要一種稱為希格斯玻色子的粒子,或是其他扮演相同角色的替代粒子,而該粒子的質量則落在LHC所探索的能量範圍之內。希格斯粒子還會帶出深奧的問題,其答案也應該可以在相同能量範圍之內找到。
■這些現象環繞著對稱的問題。對稱是標準模型中交互作用的基礎,但是未必會永遠反應於模型的運作之上。了解對稱為何破缺,是主要的問題。

如果物理學家被迫要以一個字來說明建造大型強子對撞機(LHC)的理由,他們通常會回答「希格斯粒子」(Higgs particle)。希格斯粒子是大家關注的焦點,它是現今最成功的粒子理論中,剩下還沒有被找到的粒子。不過整個故事遠比這有趣得多。在粒子物理史上,新對撞機在能量上的躍升是前所未見的。我們不知道它會發現什麼,但是它所找到的東西以及所撞見的新問題,必將改變粒子物理的面貌,而且將影響相關的科學領域。


在這個新世界裡,我們希望能夠弄懂,將電磁交互作用與弱交互作用這兩種自然界中的力區分開來的,到底是什麼。這對於我們如何看待日常世界將有廣泛的影響。對於一些簡單又深奧的問題,我們將獲得更新的了解,像是為什麼有原子?為什麼有化學?為什麼能有穩定的結構?


尋找希格斯粒子是關鍵的一步,但它只是第一步而已。在這之外還存在著一些現象,它們或許可以澄清為何重力會遠比其他自然界的力還弱,並揭露充滿宇宙的神秘暗物質的面目。我們還可能更進一步了解物質的各種形式、時空的性質,以及外在形式相異的各類粒子所具有的內在統合性質。這些問題彼此似乎都有關聯,而且也牽涉到當初引發物理學家預測出希格斯粒子的一堆問題。LHC將幫助我們改進這些問題,也會讓我們起步去找出答案。


以實驗驗證標準模型

粒子物理中的「標準模型」能夠解釋已知世界中的很多東西,而它的名稱也意味著它還在進展。標準模型是在進展快速的1970與1980年代建構出來的,當時一連串重要的實驗發現與新提出的理論得以相輔相成。很多粒子物理學家把過去15年看成是鞏固的年代,和更早快速前進的年代不一樣。然而,儘管標準模型已經獲得更多實驗的支持,可是也有越來越多現象超出了標準模型的範圍,同時新的理論想法也擴充了我們的概念,描繪出一個更豐富、更完備的世界觀的可能模樣。實驗與理論兩者持續搭配發展,意味著未來10年粒子物理將蓬勃發展,或許我們將來回頭看,會看到革命其實一直就在蘊釀。


依我們目前的了解,物質由夸克與輕子這兩大類粒子所構成,此外還要再加上四種已知基本力中的電磁力、強力與弱力(參見第34頁〈究竟什麼是物質?〉)。我們這裡暫且將重力放在一旁。夸克構成了質子與中子,並能產生與感受電磁力、強力與弱力。輕子中最著名的是電子,這類粒子不會感受到強力。夸克與輕子的區別在於夸克帶有顏色而輕子則否。所謂的顏色是和電荷類似的概念,這只是一種比喻,和普通的顏色沒有關係。


標準模型的指導原則是,它的方程式必須是對稱的。就好像無論你從什麼角度去看一顆球,它看起來都是同一個樣子。對於方程式來說,如果你改變定義方程式的觀點,方程式也必須維持不變。不僅如此,如果我們在時空中的不同點採取不同觀點,方程式也仍然保持不變。


當我們如果要求一個幾何物體具有對稱,此物體的形狀就必須受到嚴格的限制;一顆球如果有些凹凸,它就不可能從任何角度看起來都一樣。同樣地,方程式的對稱性也會對方程式設下嚴格的限制。這些對稱所導致的交互作用,則是由玻色子這種特殊粒子來傳遞的。


標準模型以這種方式顛覆了蘇利文的格言「功能決定形式」,而在標準模型裡卻是「形式決定功能」。換句話說,理論的形式(表現於方程式所定義出的對稱之中)決定了由理論來描述的功能(粒子間的交互作用)。例如,假設我們要求無論怎樣選擇定義夸克的顏色(而且這種選擇不會依時空點的不同而異),描述夸克的方程式必須保持不變,則這種要求就會導致強核力,強力是由八種稱為膠子的粒子所傳遞的。另外電磁力與弱力種力則整合成「電弱力」,而它們奠基於另一種對稱。電弱力是由四種粒子來傳遞:光子、Z玻色子、W+玻色子、W-玻色子。


以對稱破缺解釋電弱理論

電弱交互作用的理論是由格拉肖、溫伯格和薩萊姆所提出來的,他們以此獲得了1979年諾貝爾物理獎。弱力所涉及的是輻射性β衰變,不會作用在所有的夸克與輕子。每個夸克與輕子都還可再分成左旋與右旋兩類,兩者互為鏡像。β衰變力只會作用於左旋粒子,這件事發現於50多年前,現今我們還不了解原因。不同左旋粒子之間的對稱定義了電弱理論。

電弱理論在建構之初有兩項缺點。首先,它預測有四種傳遞長距力的粒子,這類粒子稱為規範玻色子;但是自然界只有一種長距力粒子,即光子。其他三種規範玻色子都只會傳遞短距力,範圍約在10-17公尺之內,也就是比質子半徑的1/100還小些。根據海森堡測不準原理,這意味著這些傳遞短距力的粒子帶有約等於1000億電子伏特(即100GeV)的質量。第二項缺點是夸克之間與輕子之間的家族對稱,意味著夸克和輕子不能帶有質量,然而夸克與輕子都是有質量的粒子。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第73期3月號】