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Jun. 27 2014

「上帝粒子」對撞機準備再啟動,能量將是史上最強大

  • 「上帝粒子」對撞機準備再啟動,能量將是史上最強大

    「上帝粒子」對撞機準備再啟動,能量將是史上最強大

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專家說,大強子對撞機的下一次運作有可能獲得重大發現。

 

ATLAS(超導環場探測器,如圖)是位於瑞士的大強子對撞機(LHC)所配置的偵測器之一,希格斯玻色子(Higgs boson)就是用它發現的。
PHOTOGRAPH BY REX FEATURES VIA ASSOCIATED PRESS

撰文:Christine Dell’Amore in Copenhagen

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編譯:胡宗香

2012年發現了「上帝粒子」的全世界最大、能量最高的分子加速器正準備重新啟動。科學家說,它的第二次運轉很可能帶來驚人的成果。

 

科學家於本週一宣布,大強子對撞機( Large Hadron Collider, LHC )將以先前的兩倍能量運轉,這將是粒子加速器有史以來所達到的最高能量。

大強子對撞機最有名的事蹟,就是在2012年偵測到希格斯玻色子。暱稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子是次原子粒子,有助於解釋宇宙中的粒子為什麼具有質量。這項發現為1960年代首先預測希格斯玻色子存在的理論物理學家贏得了2013年諾貝爾物理獎。(看 大強子對撞機的照片.)

大強子對撞機位於法國與瑞士邊界底下一個長27公里的橢圓形隧道中。能量提升後,它可能會發現更多新的粒子。

找到希格斯玻色子只是「一個起點」,粒子物理學家,也曾擔任ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus,超導環場探測器)實驗發言人的法碧歐拉‧吉歐諾提(Fabiola Gianotti)在星期一指出。ATLAS就是當初偵測到希格斯玻色子的儀器。

「現在我們對希格斯玻色子的認識還不像對其他基本粒子的那麼深入—認識新朋友時,你總會想要進一步了解它,」她說。

大強子對撞機利用強大的磁鐵讓兩個質子束以接近光速的高速對撞。

上週,這個巨大的對撞機約八分之一已冷卻至攝氏零下271.3度的運轉溫度,這個溫度比外太空還冷。而質子同步加速器也自2012年以來首度重新啟動;當時,加速器為了進行維修與升級而關閉。

負責加速器運轉的「歐洲核子研究組織」(European Organization for Nuclear Research, CERN)主任羅夫-迪特‧休爾(Rolf-Dieter Heuer)指出,現在的計畫是要讓更新更強大的對撞機在2015年1月恢復運行,並且說:「還有很多物理學實驗等待進行。」

「沒有這個粒子,就沒有我們」

希格斯玻色子在五十年前由英國物理學家彼得‧希格斯(Peter Higgs)提出,用以解釋為什麼組成質子的夸克以及電子等某些粒子具有質量,而有些卻沒有,比如光子就不具質量。

根據希格斯的理論,宇宙裡遍布一種看不見的「場」,類似磁場,稱為「希格斯場」。

如果一個粒子可以在與這個場只有很少或沒有交互作用的情況下通過這個場,就不會產生阻力,這個粒子也就會只有很少的質量或完全沒有。反之,如果一個粒子與希格斯場有很大的交互作用,就會獲得比較大的質量。

這也就是為什麼希格斯玻色子是宇宙中絕大部分物質的質量來源。

「沒有這個粒子,就沒有我們。」休爾說。

與歐洲核子研究組織合作的吉歐諾提指出,之前「我們一共發現了16種基本粒子。希格斯玻色子是第17個—而且與其他粒子都大不相同。」

舉例來說,希格斯玻色子不屬於先前已知的兩個粒子種類,物質粒子與作用子,而是屬於第三種,稱為純量粒子;宇宙中唯一已知的純量粒子就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子還有「兄弟」嗎?

大強子對撞機運作的前三年(2010至2012年)以7到8兆電子伏特(TeV)的能量運轉。TeV是粒子物理學中使用的能量單位。

2015年,科學家希望能讓對撞機以13TeV的能量運轉。由於更高動能的質子束能夠顯示質量較重的粒子,因此對撞機有可能發現人類之前一無所知的較重粒子。(希格斯玻色子相對而言較輕,這對物理學者而言又是另一個謎。)

舉例來說,超對稱理論(supersymmetry)即主張,希格斯玻色子應與其他四個「兄弟」粒子共同存在,這些粒子與希格斯玻色子的質量相當,但電荷不同。

「如果我們提高運轉能量,可能就可以見到希格斯的兄弟。」法國原子能委員會(Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) )的粒子物理學家、也與歐洲核子研究組織合作的薩米拉‧哈薩尼(Samira Hassani)說。

暗物質之夢

科學家也希望能了解希格斯玻色子如何與其他粒子互動。

本週一,歐洲核子研究組織發布了一份研究報告,顯示希格斯玻色子衰變後會成為費米子,也就是組成物質的粒子。

這項研究發表在國際期刊 Nature Physics,支持了希格斯玻色子的行為符合標準物理模型預測的想法。到目前為止,這個模型都算成功,能夠解釋基本粒子如何與基本的自然力互動。

然而,吉歐諾提指出,當大強子對撞機以如此高的能量運轉時,就出現了一個吸引人的新可能性,也就是希格斯玻色子可能是「通往新物理的一扇門」。所謂新物理,指的是有關我們的宇宙如何運作的其他理論,只是我們現在還不知道那究竟會是什麼。

理論上存在、構成我們宇宙95%但不可見的暗物質就是一例。宇宙只有5%是由我們可以觀察到的構造所組成,例如星系、行星與恆星。

「我們所有的研究都以標準模型為依據,」哈薩尼說,但是「暗物質還是一個等待被解開的問題。一定有一個新東西,一種新物理,是我們必須了解的。」

吉歐諾提也說:「我們的夢想是,當我們在2015年啟動大強子對撞機,讓它以更高的能量運轉時,能夠產生一個足以解釋暗物質的粒子。」

「那將是科學的一大勝利。」她說。

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