2015年10月2日

高能物理學之福爾摩斯探案 發現新粒子!

作者/蔣正偉(美國卡內基美隆大學物理博士,現任國立中央大學特聘教授、中央研究院合聘研究員、國家理論科學中心科學家)

歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),在2013年的夏天,發現了一個新粒子的存在。接著的實驗陸續檢查這個新粒子所參與的各種反應, 證實它極其符合粒子物理的標準模型中希格斯粒子的特性。這項發現的重要性在於完備了標準模型中的所有基本粒子,讓我們確信自然界對稱性的破壞、基本粒子質量的來源,的確都跟希格斯粒子密切相關。加上它對數不清的基本粒子實驗成功而精確的預測或解釋,標準模型也被正名為「標準理論」。

宇宙的終極理論
然而,粒子物理學接下來的一個重要問題是:「這個標準理論就是自然界的終極理論嗎?」有很多理論上的推敲,以及實驗上暗物質、暗能量和微中子質量的發現,告訴我們問題的答案是否定的。我們需要超越標準理論的新物理來幫助解釋暗物質、暗能量的存在,微中子質量的來源,以及許多宇宙觀測、演化的現象。所以,未來粒子物理學的挑戰是:新物理在哪裡?我們該如何去發現與檢驗?宇宙的終極理論究竟是什麼?

因為標準理論的基本粒子已經都在實驗中被發現,所以新物理將會聚焦於尋找其他新粒子,這也同時是高能實驗物理學一直以來積極進行的方向。如果我們可以具體預測某個新粒子的質量以及交互作用的種類與強度,那麼對撞機就有明確的搜尋目標與方法,或者增加對撞能量、提高對撞機率,又或者改進偵測器的靈敏度等。可惜的是,我們現在擁有各種理論模型,卻沒有百分之百的信心哪一個是對的。在這種缺乏線索的情況下,粒子物理學的進展往往需要一些運氣。

發現新的共振態
今年六月,LHC的實驗公佈了一項結果,從某些粒子的衰變模式中,發現在2 TeV(兆電子伏特)能量附近似乎存在一個新的共振態(物理學家用共振態泛指在實驗中之某個物理態,其質量恰等於對撞的能量,以致於大量的生成。在能量頻譜曲線上,這種共振態的明顯特徵就是峰值的出現)之所以說「似乎」,是因為目前的統計量不足,所得信號僅偏離背景3個標準差左右,信心度並不夠高。根據粒子物理的標準,信號必須要偏離背景5個標準差以上,才夠資格稱作發現。按照愛因斯坦的質能互換,這個共振態具有相當於約2100個質子的質量。想當然爾,粒子物理學家對於這個新發現非常興奮,並且寄予厚望。因為一旦確定,僅僅這樣一個新的共振態就會提供許多新物理的資訊,引領我們跨進粒子物理的嶄新世紀。......【更多內容請閱讀科學月刊第550期】

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