2014年9月1日

天上掉下來的粒子—從包利到希格斯

β衰變的研究揭開弱作用力的神秘面紗,從包利假想的微中子開始,到希格斯粒子的發現為止,一趟將近50年的追尋之旅終於在去年畫下完美句點。

作者/張峻輔(清華大學博士任教高雄中學)

2013年三月,歐洲核子研究組織(CERN) 宣告2012年發現的「似希格斯粒子」,幾乎可確定就是標準模型中的「希格斯粒子」;102學年度的學測,更把這項熱門發現放進自然科考題中;去年諾貝爾物理獎也頒發給希格斯(Peter Higgs)與盎格列(Francois Englert)兩位理論學家,以表彰他們對「BEH機制」的貢獻。BEH名稱的由來,是取自對該理論有貢獻之三位物理學家的姓氏開頭字母組成,不過遺憾的是,布繞特(Robert Brout)已於2011年去世,無緣與他當年合作者盎格列一起共享殊榮。

本文將會從放射性元素的衰變出發,以歷史脈絡為經,理論發展為緯,勾勒出標準模型當中「電弱統一理論」如何成形,以及BEH 機制在其中扮演的角色,回顧粒子物理發展的關鍵時刻(顧及文長與著重點,省略夸克的發現與強作用力等部份)。

β衰變連續能量分布
β衰變,是放射性原子核X釋出高能β射線(電子)與反微中子後,轉變成另一種原子核Y的過程,最簡單的β衰變就是自由中子衰變為質子並釋放電子與反微中子。

β衰變所釋放的電子,其動能並非單一量值,是連續分布的。

因為微中子質量幾乎為零且不帶電,實驗上要偵測其存在是極為困難的一件事,所以早期有關β 衰變的研究一直不知道微中子的存在,單純的認為β 衰變是二體衰變問題——產物只有衰變後的原子核與放射出去的電子。經考慮能量守恆原理計算後,預期β 射線攜帶的能量應該是個定值,但實驗結果卻出乎意料地出現連續能量分布。

對β 衰變的連續能量分布提出合理解釋,成為當時核物理學棘手的難題,鼎鼎有名的量子力學大師波耳(Niels Bohr)甚至因此懷疑能量守恆原理的正確性。這時素有「物理學的良知」(the conscience of physics) 美稱的包利(Wolfgang Pauli) 提出一項假設:在β 衰變過程中有一種質量為零、不帶電的中性粒子自原子核中釋出,悄悄帶走這些消失的能量。包利原先將這些難以偵測的中性粒子命名為「中子」,隨著查兌克(James Chadwick) 在1932 年發現中子之後,義大利物理學家費米(Enrico Fermi)便將包利的中性粒子改稱為「微中子」。......【更詳細的內容,請參閱第537期科學月刊】

延伸閱讀
1. Jim Baggott,柯明憲譯,《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》,貓頭鷹出版社,2013年。
2. 徐一鴻,張禮譯,《可畏的對稱-現代物理美的探索》,五南圖書,2006 年。
3. 江才健,《規範與對稱之美—楊振寧傳》,天下文化,2002 年。

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