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大強子對撞機及希格斯的發現

大型強子對撞機實驗的主要目標是發現希格斯玻色子和理解質量的起源,並且發現超出標準模型的新物理,也許是超對稱,也許是遠遠超出了我們所能理解的。
 
 
 
導論

粒子物理的標準模型被認為是最成功的一個理論模型,經過三十多年的實驗考證,標準模型的準確程度達到10-3。但做為一個理論學家,我們相信標準模型不會是最終的理論,原因是:(1)標準模型有很多參數,特別是費米子(fermion)的質量;又為什麼只有三代的夸克(quarks)和輕子(leptons)?(2)標準模型沒有把所有作用力合在一起;(3)規範層次(gauge level)問題或微調(fine-tune)問題。

在粒子物理中有兩個尺度,電弱尺度和普朗克尺度,它們之間相差16~17個數量級。這樣會導致希格斯玻色子質量做超大的修正,因此需要非常微調的抵銷,才可以有大約1千億電子伏特‭[‬O(100‭) ‬GeV‭]‬的希格斯玻色子。

除了以上的考量之外,在其他領域的發現也告訴我們標準模型是不足夠的。最轟動的莫過於微中子了,它有質量和相互震盪。另外,從天文和宇宙觀測中幾乎可以肯定暗物質的存在,但我們對它的認識很少,更談不上它可能在標準模型之內。最近這幾年藉著超新星的測距與宇宙微波輻射的測量,發現在宇宙中有另一種更神祕且是我們不能了解的物質,稱為「暗能量」,在標準模型內,並無法解釋它,也無法對宇宙物質比反物質多了許多的現象,給予一個合理的解釋。

許多理論學家都有一個信念,那就是新的物理會在1兆電子伏特(1‭ ‬TeV)左右發現。大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)在未來二十年的高能實驗中扮演最重要的角色,將實現我們的夢想。

大型強子對撞機實驗的主要目標是發現希格斯玻色子和理解質量的起源,並且發現超出標準模型的新物理,也許是超對稱,也許是遠遠超出了我們所能理解的。

大型強子對撞機實驗在2010年年底已經開始,並引起全球性的注目。在2011年年底前,看到了一些希格斯玻色子的證據。當時,這個消息非常令人興奮。在2012年7月公布發現一種新玻色子,很可能是希格斯粒子,更多的細節會在下面說明。

大強子對撞機位在瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究組織(CERN),供國際高能物理學研究用。LHC已經建造完成,2008年10月21日落成,9月10日開始試運轉,成功維持兩質子束在軌道中運行,成為世界上最大的粒子加速器設施。LHC是一個大型國際合作計畫,由全球85國的大學和研究機構,集合超過八千位物理學家共同合力出資、合作興建。

2008年9月19日,LHC第三和第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生嚴重洩漏,推測是因連接兩個超導磁鐵接點的接觸不良,在超導高電流的情況下融毀所導致的。根據CERN的安全條例,必須使磁鐵升回室溫後,經詳細檢查才能繼續運轉,這需要三到四周的時間。要再冷卻降溫至超導適合的溫度,得再經過三、四周的時間。這時剛好遇到預定的年度檢修時程,於是原訂的2008年10月21日開始進行的低能量對撞實驗,到2009年11月20日才開始。

LHC包括一個圓周27公里的環形隧道,因當地地形的關係,位於地下50至150公尺之間,是先前大型電子—正子加速器(LEP)所用隧道的再利用。隧道本身直徑3公尺,位在同一平面上,貫穿瑞士和法國邊境,主要的部分大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下,但有很多地面設施,像冷卻壓縮機、通風設備、控制電機設備、冷凍槽等。

LHC加速環的4個碰撞點分別設有7個偵測器,其中超導環場探測器(ATLAS)和緊緻緲子螺管偵測器(CMS)是通用型的粒子偵測器。另外,底夸克偵測器、大型離子對撞器、全截面彈性散射偵測器、LHCF和MoEDAL等則是較小型的特殊目標偵測器。

以LHC檢測希格斯玻色子

2012年7月4日CMS和ATLAS的兩個實驗,同時宣布在大型強子對撞機發現類希格斯玻色子,它的質量是125‭ ‬GeV(比質子重約130倍),這發現和標準模型希格斯玻色子是一致的。

希格斯玻色子是完成標準模型的最後一塊圖片,它是包括希格斯(P.W‭. ‬Higgs)等物理學家在超過40年前提出的粒子。希格斯玻色子是所謂的希格斯機制的殘餘,它的目的是給費米子和規範玻色子質量。希格斯玻色子的發現可以進一步鞏固我們對質量和電弱對稱性破缺起源的理解,這也許是現代粒子物理學的最重要發現,對所有的理論和實驗研究有深遠的影響。

背景

粒子物理學的標準模型,是由費米子的物質粒子和一組提供電磁、弱和強相互作用力的力載體集合而成。費米子包括輕子和夸克,輕子包括帶電輕子和微中子,有電子、緲子(μ)和Τ子(tau);另一方面,夸克有6個味道(flavor)—上、下、奇、魅、底和頂。他們的質量從10-3‭ ‬eV到超過100‭ ‬GeV那麼大。

到目前為止,基於從前所有的實驗數據所發展出的理論,稱為標準模型,經1983年發現的W和Z玻色子的規範對稱性獲得證實。但這理論的迫切問題是規範對稱性要求所有的粒子是無質量的,然而在現實中,除了光子外,每個粒子都有質量。我們面對一個僵局:有一個美麗的弱互作用和電磁相互作用的統一理論,但無法解釋為什麼粒子有質量。希格斯和其他人提出了所謂的希格斯機制,可讓費米子和規範玻色子獲得質量。為了了解希格斯機制,可以做以下的想像。

假設宇宙開始時,有規範對稱性和每一個粒子都是無質量的。理論家創造一個宇宙的位能,通過引入一個希格斯場,它散布在整個宇宙。想法很簡單,類似於我們在學習電磁或引力位能,測試電荷總是想去位能最低最穩定的位置。試想,在開始,這宇宙的位能最低位置在希格斯場的起源,遵守規範對稱性。然後,由於一些更根本的原因,潛在的變化和發展另一個位能較低及偏離原點的最低位能點。因此,未來發生的事情一切都會轉到新的最低位能點,因為它更穩定。

整個宇宙會轉向新的最低位能點,我們稱它像一個泡沫席捲整個宇宙。在新的最低位能點,沒有遵守原有的規範對稱性,從而打破了原有的規範對稱性—稱為電弱對稱性破缺。因此,幾乎每一個粒子都獲得質量,從而解決了質量起源的問題。希格斯玻色子是上面描述的殘餘,希格斯玻色子的發現證實上面的描述確實發生了。

在上面的描述中,提到有一些更根本的原因,潛在地發展出一個新的偏離原點的最低位能點。除了做為一個特設的條件以外,標準模型不能提供一個解決方案。事實上,根本問題在於如何開發一個新的最低位能點,從而引發電弱對稱性破缺,這是一個熱門的研究領域。例如超對稱,玻色子和費米子之間的對稱性框架,提供了動力機制,而導致電弱對稱性破缺,目前的實驗也正在積極尋找超對稱的證據。

希格斯玻色子的生產和衰減

在大型強子對撞機中,希格斯玻色子最主要的產生方式是由膠子融合,次要的方式是由玻色子融合(vector boson fusion‭, ‬VBF)。質子內的膠子可經由頂夸克的迴路湮滅,產生希格斯玻色子;而W或Z玻色子會因VBF湮滅至希格斯玻色子。膠子和規範玻色子融合之間最重要的區別,是兩個VBF隨行的噴流。實驗上,可以開發出一組條件來識別VBF的噴流,稱為噴流標記,以區分兩種類型的融合。

膠子融合取決於在循環運行的粒子,從而任何新的理論都允許其他粒子在循環運行;VBF電弱對稱性破缺的是乾淨的探針。

希格斯玻色子的質量、衰變模式和其他實驗背景汙染確定了希格斯玻色子的檢測方法。實驗沒有假定希格斯玻色子的質量範圍,所以在理論和以前的搜索不准的範圍外到處找,即從115‭ ‬GeV到高達1,000‭ ‬GeV,雖然也有LEP實驗暗示它應該小於180‭ ‬GeV。

目前,對於質量介於115和130‭ ‬GeV之間的希格斯玻色子,最重要的衰變模式是γγ衰變。這衰變的分支比在2 × 10-3左右,也就是說,一千個希格斯粒子會有兩次衰變到兩顆光子。探測器可以記錄希格斯粒子衰變後的兩個光子的能量和方向,光子的能量—動量四向量可以加在一起,獲得它們母粒子的質量。

CMS和ATLAS繪製所有雙光子產生事例的不變質量圖時,令人吃驚地發現在125~126‭ ‬GeV附近出現一個顛簸。實驗之一的CMS仔細地估計125~126‭ ‬GeV附近顛簸的統計意義,它的背景波動的概率是10-5(對應於一個4σ偏離的高斯分布),雖然很小,但仍然不能稱為發現。粒子物理學家都非常小心,因為他們需要建立一個概率小於10-7(大約5 σ)的訊號,才能稱為發現。ATLAS的實驗也有類似的發現。

第二個最好的希格斯玻色子衰變模式是H→ZZ‭*‬→llll,最終狀態是4顆帶電的輕子,包括eeee、μμμμ和eeμμ。Z玻色子是中性弱規範玻色子。電子和緲子是探測器很乾淨的對象,因此可精確測量它們的動量,重構它們的母粒子質量m4l。再次,繪製4個帶電輕子不變質量m4l的所有數據,驚訝地發現了近125~126‭ ‬GeV的顛簸。

CMS實驗仔細地估計顛簸的統計意義,發現背景波動的概率大約是10-3(約3 σ)。ATLAS的實驗也發現了一個類似的顛簸,但其他的衰變模式,因大的背景或檢測不夠乾淨,變得不那麼有用。

由於從末態是雙光子的實驗和末態是4顆帶電輕子的實驗得到一致的顛簸,約為125~126‭ ‬GeV。對各自的實驗來說,這兩個衰變管道的概率統計意義可以合計為10-7(大約5σ),因此CMS和ATLAS實驗都宣稱發現了希格斯玻色子。

下一步是什麼

希格斯玻色子的發現,標誌著一個粒子物理全新時代的開始。先前已經說過,從理論觀點來看,只有希格斯玻色子的標準模型不能成為最終的理論,因為這125‭ ‬GeV的希格斯玻色子需要一個巨大到大統一尺度那麼大的量子修正,某些新形式的物理必須出現在1兆電子伏特尺度。超對稱將是一個非常有吸引力的候選新物理,因為它預言希格斯玻色子的質量低於130‭ ‬GeV。理論和實驗家們已經開始限制各種超對稱模型,或擴展希格斯玻色子模型的參數空間。

另一方面,由於觀測雙光子比率略高於標準模型希格斯玻色子的預測,而其他衰變模式稍低,因此雖然大多數的數據仍然有大量的統計不確定性,但是一些其他類型的純量粒子的猜測已經被提出,如Randall-Sundrum模型的Radion場、fermiophobic希格斯玻色子等。

這些模型可以有一個類似的質量和衰變模式做為當前數據的純量玻色子,從而模仿標準模型希格斯玻色子,我們必須找到一種方法來區分這些模型。最好是使用規範玻色子的融合(VBF),因為使用雙噴流標記的技術可以區分出VBF,但其可直接探測純量玻色子、W和Z玻色子的耦合,這和電弱對稱性破缺有直接相關。

這些仿模型可以給出類似標準模型的包容性產率,不過很明顯地,VBF的預測有很大的不同。Radion在VBF的產率非常小,而fermiophobic(FP)會給一個非常大的產率、而其他模型卻預測一些範圍。VBF生產測試可以幫助區分各種型號,並確定新發現的玻色子性質。

超對稱

超對稱是對於玻色子和費米子互換的對稱。簡單來說,每一個費米子都有一個質量相同和自旋相差1/2的玻色子,也就是超對稱同伴。例如,有電子(electron),就有超電子(selectron),它們和希格斯玻色子的耦合也有一定的關係。為何要這樣嚴謹呢?原因就是之前提過的規範層次問題或微調問題。

試考慮希格斯玻色子質量修正,費米子環路有以下的修正(請見圖四)

以上討論過的規範層次問題,得知:透過超對稱,電磁、弱作用及強作用耦合常數可以合一;提供了動態的弱作用破壞,這是標準模型所缺的;透過R‭-‬宇稱守恆提供了一個黑暗物質。在過去多年,WMAP實驗精準地測量了宇宙的黑暗物質量是Ωh2‭=‬0.095。多個分析把超對稱的參數空間減剩下頗少的區域,為了徹底了解這些區域,就要透過加速器實驗來探討,這些都是現在活躍的研究題目。

超對稱有很多的變化,又有很多超對稱破壞的模型,現在所提出的理論,都會在LHC測試,因此LHC是理論家將來的命脈。

附錄

標準模型,包含構成物質的費米子,和一組提供電磁、弱和強相互作用力的力載體。費米子包括輕子和夸克,輕子包括帶電輕子和微中子,有3種味道—電子、緲子和子。夸克有6個味道—上、下、奇、魅、底和頂。
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