2013年10月8日 星期二

Higgs 粒子

2013年物理諾貝爾獎揭揭了!

得獎的是兩位高能理論物理學家 [1]。其中一位是以其為名的。這個弱電作用 [2]的最後粒子在今年初 (March 14, 2013) 由多國合作團隊 (包括台灣中研院、台灣大學、中央大學等) CERN 的強子對撞機 (hadron collider) 共同發現。當初蓋強子對撞機的主要目的就是要尋找Higgs粒子。

關於它的理論,早在 1964年便由這兩位得獎的物理學家提出,卻在半個世紀之後才終於發現。當初需要此 Higgs粒子 [3] 的動機是因為在完美的弱電作用下,基本粒子是沒有質量的。但所觀察到的弱電作用基本粒子如W+W-Z等粒子均帶有質量,因此這個弱電對稱需要有被某種機制破壞。

對稱被破壞的機制有許多方法。高能物理學家借了凝態物理學家的傳統智慧,以自發性對稱破缺 (Spontaneous Symmetry Breaking; SSB) 來解釋弱電作用被破壞的事實。在自發性對稱破缺下,其實弱電作用本身的對稱還在,但是基態 (ground state) 的存在破壞了這作用的表面對稱。譬如有一個 W 型的位勢 (potential)。此位勢在對 W 的中軸來說是左右對稱的。通常物理會選擇最低能量的解,而在 W 型位勢中,兩邊的尖底能量都一樣是最低的,但大自然只能選擇一邊。一旦大自然選擇左邊或右邊,由基態來看左右對稱就被破壞了,這就是自發性對稱破缺的機制。有了自發性對稱破缺,參與弱電作用的粒子便有來源取得質量。

發現的 Higgs 粒子質量約 125 GeV (10^9 電子伏特,是能量的單位) ,大概是質子的一百多倍重。幸好在此能量發現了,否則根據理論預測,在再上去的很長一條能帶都是「沙簇」地帶,也就是不可能存有 Higgs 粒子的地帶。如果要往上再追尋,勢必要建一超高能量的對撞機。以參與方國的經濟狀況來看,投入這似乎無益於國計民生的基礎研究是比較不可能的。。如此一來,人類對於弱電作用的瞭解會永遠缺一角。

發現 Higgs 粒子是人類科學的重大勝利。一個半世紀前單憑理論模型預測的粒子在自然中被最終尋到。這也顯示了科學的兩大特性:有預測能力,也可以被驗證為真或為偽。

短期內高能物理學家會忙於分析實驗數据,譬如計算和測量 Higgs 粒子的作用和衰變模式。可下一步呢?有人已經把腦筋動到超對稱 (supersymmetry) [6] 了。

至於用「上帝粒子」,那是媒體的噱頭,就好比講地震是地牛翻身一般。學科學的人沒有人這樣稱呼的。
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