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大大實驗室裡的小小神之粒子 ─ 談搜尋希格斯粒子的最新進展

 
 
2015年春季系列的首場演講由臺灣大學物理學系的陳凱風教授擔綱,講題是「大大實驗室裡的小小神之粒子-談搜尋希格斯粒子的最新進展」。

陳教授是臺大物理系的年輕教授,他在早期的成長就學和研究過程中就已經嶄露頭角,極為傑出。近年來陳教授在歐洲粒子物理的聖殿CERN參與國際團隊的尖端研究,目標之一就是搜尋理論學家預測的希格斯粒子存在的證據,這個粒子若是證明存在,基本粒子的標準模型以及物質為何會有質量的終極困擾就會得到印證和解答,也是為什麼春季展望將以陳教授參與國際重要計畫的精彩過程作為開季第一場演講。

陳教授是如何描述這個領域最近的精彩進展的?他說:2013諾貝爾物理獎由希格斯與恩勒特兩人共同獲得,因為他們正確推論了被稱為「神之粒子」的希格斯玻色子的存在!而來自世界各國、包括臺灣的研究團隊,在歐洲核子研究中心CERN齊聚一堂,利用大強子對撞機LHC觀察並證實希格斯玻色子的存在。「標準模型」理論中關鍵之一的希格斯玻色子,只有使用大強子對撞機才發現了直接的證據。

究竟什麼是希格斯玻色子?科學家們到底在大強子對撞機作什麼事?會不會如電影所說製造出危險物質或是做出吞噬地球的黑洞?在這個演講中,陳教授將為聽眾介紹大強子對撞機與相關實驗,同時解釋希格斯玻色子的物理概念,與來自LHC最新的實驗成果!

講演內容摘述

本季的第一場演講,由臺灣大學物理學系的陳凱風教授擔綱,陳教授以輕鬆幽默的方式讓大眾了解何謂「希格斯粒子」,以及大強子對撞機(LHC)最新的研究成果。

陳教授說,比起希格斯玻色子,或許更多人聽過「神之粒子」(The God Particle)。最先使用這個詞的是諾貝爾物理獎得主利昂·萊德曼,他原來想將自己的科普書命名為《被詛咒的粒子》(The Goddamn Particle),出版社覺得不應該在書名中說髒話,所以後來改成《上帝粒子:如果宇宙是答案,那問題是什麼!》

希格斯玻色子到底是什麼?目前科學界視它為「被標準模型預言的最後一個基本粒子」。基本粒子是一種不可再分割且沒有結構的粒子,假若宇宙形成初期的大爆炸沒有希格斯粒子的存在,所有物質便會以光速離開,屆時宇宙將會混沌無序,失去現在美好的日月星晨。

近年來為了證實希格斯機制,科學家們費盡心思地尋找希格斯粒子的蹤跡。但希格斯粒子不易觀察,就像空氣一樣,除非移動產生風,否則我們無法得知空氣的存在。為了讓希格斯粒子現形,歐洲核子研究組織在瑞士日內瓦地下建造了一座圓周27公里的大強子對撞機(LHC)。

陳教授將尋找希格斯粒子比喻為躺在沙灘上拍稀有的鳥類。輻射很強的LHC好比美麗且炎熱的沙灘、粒子偵測器好比拍鳥的攝影器材,而攝影師則是3,100多位各國的科學家、工程師,與800多位研究生。要運作一次大強子加速器質子束需要7 TeV(1012電子伏特),這電力相當於4.7兆顆三號電池串連或是12億臺高壓電源供應器,換句話說,要7,000萬隻皮卡丘一起發出10萬伏特才能讓質子束產生有如高鐵行駛時速150公里的動能。不過,光就LHC質子束的能量與超導磁鐵裡的能量,就想創造黑洞毀滅地球,甚至想穿越時空回到未來,能量似乎有點太少了!

陳教授說,整個大強子加速器最重要的兩個粒子偵測器CMS與ATLAS,臺灣都有參與建造,他播放了臺灣大學與中央大學參與建造的CMS縮時攝影,也感性地說到這高五層樓、全世界最大的粒子偵測器,是一個令人歎為觀止的手工藝品。

在建造大強子加速器的過程中,科學家也發展出許多改變人類生活的科技。像是史上第一個web browser,當初就是由NeXT工作站設計給LHC科學家來快速交換大量數據資料的。現在每年LHC所產生的資料多達26 PB,為了儲存這些資料並供分享,他們把數據送往全世界,像是中研院就是亞洲唯一的Tier 1中心,是亞洲第一手的數據接收站。

2012年7月4日,歐洲核子研究組織公布研究團隊發現新的玻色子,並在2013年3月14日確認這個沒有自旋的新玻色子應該就是希格斯玻色子,這個關鍵結果也讓希格斯和恩格勒共同獲得2013年的諾貝爾物理獎。

陳教授說,雖然證實了希格斯玻色子的存在,但科學家們並不滿足。從今天開始,約一個多月後,他們將把LHC的能量提高1.6倍,再次撞擊質子束,希望能找到希格斯玻色子其他的親人,並確認粒子是否具有超對稱性。藉此也許可以看到完全不同的新現象,讓我們一起祈禱吧!陳教授在演講最後,以星艦迷航記Star Trek的一段話作為尾聲:宇宙,最後的邊疆。這是星艦企業號的旅程。她繼續的任務,是去探索這未知的新世界,找尋新的生命和新文明,勇敢進入前人未知之境!整晚演講就在這兼具理性和感性的話語中結束。



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