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莎士比亞的問題-《上帝的粒子》

上帝的粒子愛因斯坦曾說:「上帝難以捉摸,但並不心懷惡意。」[1] 尋找希格斯粒子的歷程是一段冒險故事,雖然這段冒險故事的下一篇章或許不會讓我們發現滿懷惡意的神的存在,但隨著事件發展,我們倒很有理由指控上帝耍了點心機。

在孟買會議的前幾個星期,又開始有謠言在部落格之間流傳。據說ATLAS和CMS兩組團隊整合後的資料顯示,在135 GeV的能量之處,希格斯粒子的跡象變得更明確了,似乎暗示有突出的希格斯粒子衰變事件,而且顯著程度超過三標準差。眾人的期望隨之高漲,雖然三標準差的證據還不足以宣稱「發現」,但或許我們可以觀察那些身處實驗最前線的物理學家,從他們的信心程度來判斷,看他們是否相信這就是貨真價實的「那個」粒子。

我在愛丁堡和希格斯見面,那是個潮濕的星期四午後,就在孟買會議即將開始的前幾天。希格斯已經於一九九六年退休,但仍然居住在愛丁堡,鄰近他在一九六○年首次成為數學物理學講師的大學學系。他現年八十二歲,依舊活力充沛。我們坐在一間咖啡館裡,同席的還有他的同事兼友人沃克,我們談論著他的經歷,以及他對未來的期望。

希格斯在一九六四年發表了那篇重要論文,從此這個粒子便永遠背負著他的名字。[2] 他等待某種證據,已經等了四十七年了。我們談到對孟買會議的期盼,也談到我們的樂觀處境,或許某個重大的發現就要出現了。「現在的我已經很難和當年(一九六四年)的我連結了,」他解釋道:「但這一切即將結束,我感到如釋重負。如果能在這麼久以後證明我的理論正確,那就太好了。」

要是能找到希格斯玻色子,那麼希格斯機制絕對會被授予諾貝爾獎的榮耀,所以許多人開始熱烈討論,在這些皆有所貢獻的物理學家之中(恩格勒、希格斯、古拉尼、哈庚以及基博爾),[3] 究竟會是誰得到諾貝爾委員會的青睞。我們聊到很可能會引來爆發性的注目,焦點圍繞著在孟買宣布的決定性正面成果,以及隨後來自瑞典學院的得獎公告;到時愛丁堡大學的新聞中心一定會積極參與,要是事情一發不可收拾,希格斯會乾脆拔掉電話線,並且拒絕應門。

不過,看來採取這些極端手段的時候就是還沒到。當孟買會議於接下來的星期一(八月二十二日)開始舉行時,CERN的通訊主管吉利斯發出了一則新聞稿,但不如CERN在格勒諾勃會議上所承諾,新聞稿裡對ATLAS和CMS兩組團隊的整合資料隻字未提。在這兩次會議之間,他們又蒐集了超過1 fb–1的撞擊資料,而在先前觀察到突出事件的小質量範圍(約135 GeV)之處,突出事件的有效性確實下降了。「現在我們對更多資料進行了分析,這些波動的有效性略微下降。」新聞稿相當嚴肅地如此宣稱。

這叫人很難不失望。希格斯粒子存在的線索在格勒諾勃浮現,但到了孟買,

這些線索卻變得沒那麼顯著了。在八月底之前,效能出眾的LHC已經提供了超過2 fb–1的資料給每一座探測器設備,使得眾人心生期望,認為「莎士比亞的問題」或許很快就會有答案,但上帝顯然決定要「心懷惡意」。事情沒這麼容易。

雖然現在每一組探測器合作團隊都捕獲了超過一百四十兆筆質子對撞資料,但物理學家還是只能和極少數的突出事件苦苦纏鬥,而且這少少幾次事件的統計結果很容易激烈起伏,因為只要有幾次小改變,就足以造成大不相同的結果。

舉例來說,丟銅板的統計結果似乎非常直觀,我們都知道丟出正面和反面的機會是一半一半;然而,如果我們只丟個幾次,就算看見連續出現很多次正面或反面,我們也不該感到驚訝。這並不是說銅板不為「真」,只意味了我們觀察的丟銅板次數太少了,還不夠提供具代表性的樣本。只要蒐集到更多資料,我們便會預期任何突出的事件都會逐漸消失。

在孟買發表的成果也不代表標準模型的希格斯粒子就不存在,畢竟在115 – 145 GeV的能量範圍內,還是有突出的事件存在。只不過物理學家也承認,對LHC而言,這段能量區間一直存在許多分析上的困難處。

我們能做的事只有一件:再耐心一點,等待更多、更多的資料。希格斯已經等了四十七年,再多等幾個月也無妨。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第十章:莎士比亞的問題。由貓頭鷹出版

註:

  1. 這段話的德文原文刻在普林斯頓大學數學系系辦一個房間的火爐上,以茲紀念愛因斯坦。
  2. 不過要到一九七二年,他預測的粒子才以「希格斯玻色子」之名廣為人知。
  3. 可惜的是,布繞特已於二○一一年五月因久病去世。諾貝爾獎不頒發給已逝的人,而且每個獎項最多只能由三人共享。

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