物理

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
2018-12

物理

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
2018-12

重點提要
■希格斯玻色子(Higgs boson)是標準模型中還沒找到的最後一塊拼圖。物理學家幾十年來不斷努力想偵測它,但都未能成功。
■位於歐洲核子研究組織(CERN)大強子對撞機(LHC)的兩個巨大實驗:超導環場探測器(ATLAS)與緊緻緲子螺管偵測器(CMS),已經在2011年底找到希格斯玻色子的跡象。當時物理學家希望在2012年春天的運轉所產生的數據中,可以發現希格斯粒子。
■物理學家把2012年春天蒐集到的數據藏了起來,甚至自己也不能看,如此進行的「盲分析」才不會帶進偏見。到了6月中,他們才首次查看新證據。
■在數據中出現的「類希格斯」粒子具有很多物理學家在尋找的性質。它的某些初期跡象令人驚訝,可能指引了物理的未來。

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......