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希格斯粒子發現1周年

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高涌泉｜臺灣大學物理學系

2012年7月4日，歐洲核子研究組織的兩個實驗團隊—超導環場探測器（ATLAS）與緊緻緲子螺管偵測器（CMS）—宣布他們在位於瑞士日內瓦的大強子對撞機（LHC）所產生的高能質子對撞中，發現了一個質量約125GeV的嶄新基本粒子。初步的結果顯示這個粒子的性質接近大家期待已久的希格斯粒子，這是基本粒子標準模型中之前唯一剩下尚未現身的粒子，所以這當然是一個極重要的發現，CERN的希格斯粒子發表會也因此特別邀請當年提出希格斯機制的理論物理學家希格斯（Peter Higgs）、翁勒（Francois Englert）等人出席見證這個歷史性時刻。

不過儘管ATLAS與CMS所發現的粒子看似希格斯粒子，他們2012年在宣布之時所掌握的數據尚不足以確定這就是標準模型中的希格斯粒子，所以許多人還很謹慎地只稱呼這個粒子是「類希格斯粒子」。粒子物理學家其實期盼最好這個粒子不全然就是標準模型預測的希格斯粒子，因為若是如此，他們就無從找到超越標準模型的線索。

從2012年那令人激動的宣布至今已有1年，那麼對於這個「類希格斯粒子」是否真是希格斯粒子的問題，有無進一步的消息？2013年3月ATLAS與CMS提供了他們最新的分析，答案是「類希格斯粒子」越來越像是正宗的希格斯粒子。2004年因發現強交互作用的「漸進自由」性質而得到諾貝爾物理獎的得主─麻省理工學院（MIT）物理教授威爾切克（Frank Wilczek），特地為《自然》期刊寫了一篇文章，標題為〈最簡理論的勝利〉，來報導這件事。威爾切克所謂的最簡理論指的就是一般人所說的標準模型理論，因為在標準模型中我們只用上了單一個純量場，是利用「希格斯機制」的最簡便辦法。原則上我們可以用更多的純量場—也就是更多的希格斯場—來實現希格斯機制，如此一來就會有1個以上的希格斯粒子，但是實驗並不支持這樣更複雜的狀況。另外我們也可以假設希格斯粒子是由更小的粒子所組成的，這些粒子之間有更複雜的新類型交互作用，或者是假設宇宙還有更多的維度等更奇特的模型，可是這些當初曾被人賦予眾望的模型通過實驗檢驗的機率看來是越來越低。

在2012年的數據中，希格斯粒子衰變成2個光子的機率似乎比標準模型的預測來得高，但是最新的分析卻顯示實驗數據與理論值的差距縮小了，讓許多寄望於從這個雙光子衰變模式發現標準模型出錯之處的人有些失望。當然，目前的數據還無法百分之百肯定標準模型，但是以2013年的數據來看，希格斯粒子與其他粒子（夸克、輕子、W粒子、Z粒子）的交互作用強度，大致都與標準模型的預期相符。萬伯格（Steven Weinberg）與沙朗（Abdus Salam）於1967、68年提出的最簡模型竟然能通過層層考驗，至今屹立不搖，這實在令人驚訝，若沒有大強子對撞機，我們就學不到這非常重要的事。

在希格斯粒子之外，很多人還期待大強子對撞機會發現「超對稱」的跡象，但是目前的數據也讓這些人相當失望。超對稱預測每個已發現基本粒子都有其所謂的「超伴子」，例如電子就有個超對稱的同伴稱為「純量電子」、光子也有其超對稱同伴稱為「純量光子」等等，可惜這些超伴子都尚未在大強子對撞機中現身。同樣在2004年獲得諾貝爾物理獎的美國加州大學聖塔巴巴拉分校教授葛羅斯（David Gross），為威爾切克的指導教授，是支持超對稱理論的人之一，但是他也在2013年6月於韓國舉行的弦論會議上承認：「超對稱雖還沒死，但也沒多少活力。」能夠排除某些原本被看好的超對稱理論，也是大強子對撞機的重要成就。(本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

責任編輯：高湧泉｜國立臺灣大學物理學系

超標準模型(2) 科發月刊(5221)

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