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撞夠了沒?還沒!大強子對撞機續集上映中

109/09/28 瀏覽次數 1951

大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)隸屬於歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research, CERN),是一座巨大的粒子加速器,它包括一個位於地底、周長27公里的粒子加速環,就像粒子的跑道一樣。質子或是重離子在超導磁鐵的引導下,在跑道上急速奔跑然後對撞,物理學家就從這些對撞事件中,尋找新的粒子,探究未知的物理。

 

粒子發現年表。2012年,科學家在大強子對撞機的對撞事件中,找到希格斯粒子。(圖/何庭劭繪)粒子發現年表。2012年,科學家在大強子對撞機的對撞事件中,找到希格斯粒子。(圖/何庭劭繪)
 
LHC在2012年就撞出了眾所期待的希格斯粒子,當時的物理界一片歡欣雷動,而最早預測希格斯粒子存在的希格斯本人以及同年提出理論的恩格勒,也在隔年獲得諾貝爾物理獎。LHC很快就把主線任務解完了,那然後呢?
 
8年過去了,LHC並沒有因為主線任務解完就退休,這些年來,它仍然努力的製造一次又一次的對撞事件,畢竟科學家預期在LHC的撞擊能量尺度,應該還可以看到一些新東西,然而實際情況是如何呢?
 
發現希格斯粒子的關鍵事件:希格斯粒子衰變到雙光子。(圖/陳凱風提供)發現希格斯粒子的關鍵事件:希格斯粒子衰變到雙光子。(圖/陳凱風提供)

偏偏不倒的危樓—標準模型
 

在LHC找到希格斯粒子之後,研究團隊於2015年底起,把LHC的對撞能量從原本的7 TeV或是8 TeV(1 TeV=1012電子伏特)調高到13 TeV,運作了3年,這段時期稱為LHC的Run II。撞擊的能量愈高,就愈能撞出罕見的事件。更明確的說,LHC能撞出的粒子質量上限,大約落在總撞擊能量的1/6,(在粒子物理中,粒子質量通常以能量單位表示),比這個能量更重的粒子出現的機率太低,事件樣本也太少,因此要有更多觀察,就必須把對撞能量拉高,並且累積更多數據。

 

全世界的物理學家正在針對這3年的數據做分析,長期參與LHC實驗的臺大物理系教授陳凱風說:「雖然還沒有分析完,目前的確是存在一些不能被排除的意外訊號,但是統計上還不足以證實這些是新物理所造成的現象。」在尋找新粒子這個目標上,雖然研究成果豐碩,但是量測結果並沒有明顯超出標準模型的範疇。

 
大強子對撞機近期CMS偵測器照片。(圖/陳凱風提供)大強子對撞機近期CMS偵測器照片。(圖/陳凱風提供)
 

另一方面,研究團隊也希望根據新資料的分析,來修正標準粒子模型裡的參數,但目前測量出的結果,卻都和理論預測大致相符。「這是一種很詭異的感覺。」陳凱風形容。事實上,現有的標準粒子模型並不是很穩定,陳凱風說:「我們認為目前的理論架構一定有些毛病,但偏偏又找不出來。這就好像我們蓋了座危樓,但又找不出如何補強它,而地震來它還偏偏不會倒。大概就是這麼微妙的感覺!」

 

舉例來說,標準粒子模型包括了六種夸克:上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克,以及六種輕子:電子、緲子、濤子,以及三種對應的微中子。而其中的頂夸克質量明顯比另外五個夸克大非常多,而微中子的質量小到無法直接測量,這在物理學家眼中,是不應該自然發生的;此外,標準模型也無法滿足這個幾乎只存在物質、絕大多數反物質都消失的宇宙。為了解決這個問題,物理學家也提出一些假設,例如,會不會其實還有更重的夸克與輕子、或是更多奇異的玻色子存在呢?「但從LHC的實驗結果,我們還沒有找到符合的訊號。」陳凱風說。

 

粒子物理標準模型的粒子成分。(圖/Wikimedia commons)粒子物理標準模型的粒子成分。(圖/Wikimedia commons)
 
「你當然也可以說,反正宇宙就是這樣運作,但我們覺得背後一定有某個機制導致這樣的結果,只是我們就是沒找到。」陳凱風並且以100多年前的元素週期表舉例,當初的週期表也是東缺西漏,但隨著一個個新元素的發現,這些缺口也漸漸被補滿。「而現在的標準粒子模型,就像是有著漏洞、明顯還沒完成的拼圖,卻又找不到東西來填補。」陳凱風說。
 
臺大物理系教授陳凱風。(圖/簡克志攝)臺大物理系教授陳凱風。(圖/簡克志攝)
 
Run III—LHC改頭換面
 

儘管LHC的Run II呈現的結果意外的平靜,但Run III已經準備在明年啟動。

 

在Run III階段,LHC將把對撞能量再往上調高至14 TeV以上,這是LHC當初設計的最大許可能量。另一方面,研究團隊將對LHC做許多技術上的修改測試。這是因為在Run III結束後,LHC將進行一次大改造升級,要將每次參與對撞的粒子數量與密度提升,這樣一來,對撞事件發生的次數會跟著上升5~10倍。

 

為了因應這樣的升級,許多軟硬體、零件也必須跟著升級,其中最重要的一項就是偵測器。比如說目前LHC底下的CMS實驗所裝載的量能器,主要材料是以一種鉛鎢玻璃晶體為材料的閃爍體,而這些安裝在偵測器頂蓋處的晶體長期接受高輻射劑量,已經有了不少缺陷,變得愈來愈不透明了。陳凱風說:「試想如果升級之後,還用一樣的零件材料,那原本經過10年才會損壞的,現在只要1年就會接近無法運作了。」因此,偵測器必須跟著升級才行。

 

新的量能器(High Granularity Calorimeter, HGCAL)會以矽半導體材料為主,並且切分成28層排成一列,這樣做的好處除了較不易打壞外,每一層都能獨立送出粒子經過時的位置資料,可以更準確地描繪出粒子穿越偵測器的物理反應。目前由臺大物理系教授呂榮祥、裴思達主持的硬體實驗室,就正在研製這種新型量能器。再加上也會一同升級的各種裝備,未來可以對粒子的物理特性有更精準的量測。 

 
▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),做為LHC底下CMS實驗的新型偵測器,影片中可以看到模組上膠的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。
 
▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),為上述影片更進一步組裝的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。
 

LHC有來自全世界85個國家、超過8,000位物理學家參與,可說是全世界最大的實驗計畫。但在加速器的發展上,LHC可能還不是終點,未來計畫籌建的加速器計畫,還包括CERN的未來環形對撞機(FCC)、中國的環形正負電子對撞機(CEPC),以及日本的國際直線對撞機(ILC)等。

 

雖然說這些計畫是否真的會有所進展,還要看未來的局勢發展,但我們不妨期待包括LHC在內的這些實驗計畫,會繼續帶給我們怎樣的驚喜!就如陳凱風在訪談快結束時所說:「希望我們下次討論的,是在對撞的數據中,我們發現了什麼有趣的新物理!」

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