標準模型缺失的碎片-科學人雜誌
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標準模型缺失的碎片

2022-03-01 陳凱風
我們已經找到構成萬物的所有基礎要素嗎?

陳凱風小檔案

台灣大學物理系教授,專長是高能實驗粒子物理,目前專注於大強子對撞機實驗,尋找前所未見的粒子物理現象。


你嘗試過拆解玩具嗎?要了解一件玩具的運作,最直接的方式就是拆開來,仔細檢視並研究內部每個零件各自的功能、彼此的關係。這其實和物理學家進行粒子物理研究的方法非常相似。要了解物質的構成,物理學家解析原子,發現了原子核與電子;繼續拆解原子核,發現其實是由更基礎的質子與中子所組成。繼續鑽研下去,發現底下還有更基本的元件:夸克與膠子。問題是,我們把物質拆解到不能再拆了嗎?已經找到構成萬物的所有基礎要素?真的把基本粒子之間的細節全盤釐清?


以上問題的答案依然都還是「否」。粒子物理學家把迄今的所有知識,整合成粒子物理學的「標準模型」。但標準模型並不完備,例如只能描述4%構成宇宙的物質,而絕大部份的暗物質與暗能量都不在討論範圍中;標準模型整合了電磁作用、強作用以及弱作用,然而對影響範圍最大的重力卻毫無著墨。


接下來20年,粒子物理學家會繼續做理論猜想、模型推導,更重要的是做實驗來驗證,找尋這些未解之謎的解答。位於瑞士日內瓦、目前能量最高的大強子對撞機(LHC),將在2026年之後進行升級。LHC會持續運作到2040年,以提供大量可分析的實驗數據。美國已通過電子-離子對撞機(EIC)計畫,2030年將在布魯克海文國家實驗室開始運作,以幫助理解強作用的本質。此外還有好幾項尚在規劃、能量更高、針對特定研究主題的大型對撞機計畫,例如位於中國的環形正負電子對撞機(CEPC)、日本的國際直線對撞機(ILC)以及歐洲的新世代環狀對撞機(FCC)。除了對撞機實驗,粒子物理學家還有針對難以偵測的目標,包括微中子、暗物質、軸子等,規劃並建造好幾項不同尺度的實驗。數項實驗都在接下來20年內開始啟用。也許就在不久的將來,我們將發現前所未見的新粒子、新作用力,並修正標準模型、替拼圖補上缺失的碎片。


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