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【記錄】M.I.C. XIV-「驚現」:隱沒在雜訊中的真理

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記錄 / 邱文凱(K)

宇宙是怎麼構成的?從坐在火堆旁仰望星空開始,到在會堂中和其他聰明人討論、製作越來越敏銳的科研儀器……幾千年來人類文明不斷試圖回答這個問題,真理的吉光片羽也在科學研究中展現,使我們可以一點一點拼湊出對宇宙真實面貌的想像。

九月這場M.I.C.主題是「驚現」,邀請到兩位物理學家:楊琬晴(Tammy)和陳志清,分別從「實驗派」談當紅的希格斯玻色子的發現,還有從「理論派」談宇宙中的暗物質是什麼。

楊琬晴:從垃圾堆中尋找鑽石(Higgs)

楊琬晴自台灣大學物理系後,即赴英國曼徹斯特大學攻讀博士,後來因為研究需要,駐美國芝加哥費米實驗室兩年,以Tevatron對撞機的資料為基礎進行分析,博士論文也以「尋找超對稱模型中的希格斯粒子」為主題,兩度發表於《物理評論快報》。

實際參與過高能物理實驗的楊博士,一開始謙稱自己是「在高能物理中尋寶的『清潔工』」。為什麼這麼說呢?她打個比方,要在實驗收集到的訊號中發現希格斯玻色子,就好比在垃圾堆裡找到一顆鑽石一樣困難!

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為什麼這麼說呢?因為一次撞擊實驗,偵測器會記錄到數萬筆事件,而且其中很多是其他已知粒子(如下圖),所以必須先去除。像是微中子的訊號對玻色子研究團隊來說是「垃圾」,但對微中子研究團隊來說卻很有價值。

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在頂夸克於1995於費米實驗室被發現、證實之後,標準模型預言的基本粒子已經被實驗證實的差不多,其中希格斯粒子是使其他粒子帶有質量的關鍵(想瘦身的人要注意了! [誤])。

既然有了理論,那麼要如何找到希格斯粒子呢?楊博士說:「人家都說牛頓被蘋果砸到,因此找到萬有引力,那就讓Peter Higgs被Higgs粒子砸到,那不就可以找到HIGGS了嗎?」(當然不是…)

真正的實驗方法,是要先藉由兩個高速質子束對撞,撞出一堆訊號來再找出希格斯粒子。楊博士補充了一部可愛的動畫來解釋對撞機的運作:

撞擊後得到龐大的資訊量(每秒1,000,000,000個事件產生!但根據預測,每1分40秒才有一個希格斯粒子事件……),會先藉由各偵測器上的Trigger system選出較獨特的事件(可能是希格斯粒子)來分析。愈嚴苛的過濾條件,能去除更多雜訊,但剩下的資料數目也會減少。當然,在篩選的過程中,也有可能過濾掉含有希格斯粒子的訊號,這也是希格斯粒子難以找到的原因之一。

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楊博士最後提到,即使找到了希格斯粒子,標準模型仍無法解釋宇宙的一切,永遠都有更新的理論,等待著我們去研究。對於真理的追求與堅持,以及代代傳承的夢想,是屬於科學家的浪漫啊……

陳志清:尋找宇宙的黑暗面

Ken Freeman 跟Geoff McNamara 曾說:「許多老師告訴學生 我們宇宙是由週期表上的元素組成的, 但其實並不然,我們所認識、了解的物質,大概只佔宇宙的 5%,剩下的95%是我們還不知如何描述的暗物質 (Dark matter)、暗能量(Dark energy)組成。」嗯……原來我們身處黑暗的世界,這就是吸引許多科學家去追尋的原因吧!

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什麼是暗物質呢?陳志清說:其實暗物質,就是科學家未知的東西都歸屬於這類……(有講等於沒講,不愧是理論方的專家)。在觀測星系的過程中,科學家發現了外圍的星系轉得比內部的星系較快,跟現有的理論預測結果有差異,在宇宙微波背景輻射的研究也有類似的狀況,因此科學家假定了其中有我們未知的物質-「暗物質」在作用;預測模型中加入「暗物質」這樣才可以使修正後理論更符合實際的觀測結果。

既然理論物理學家預測了暗物質的存在,那麼實驗物理學家如何證實呢?科學家假設暗物質跟物質反應,可能產生光、新物質之類的現象,所以可以偵測得到。好比說人造衛星上的儀器突然偵測到一段未知的訊號,就可以假定是暗物質的訊號(真是大膽假設……)再深入分析或加入更多研究證據(小心求證)。

以實驗來說,像是中研院的王子敬博士與研究團隊,用目前全世界最敏銳的儀器探測暗物質,卻沒有找到相關的跡象,研究結果在今年7月發表,認為過去所量測到的暗物質訊號大概都「有誤」。王博士仍在核二廠內的「國聖微中子實驗室」,同時和中國清華大學合作,於四川-目前世界最深的「中國錦屏山地下實驗室」,運用先前的經驗,繼續找尋暗物質的研究計畫。

此外,南極也有偵測暗物質的實驗站。因為宇宙輻射中可能含有暗物質,若輻射打到冰層上,能反射給儀器偵測,所以實驗選在遙遠的南極,偵測範圍大又環保。

但如果沒有偵測到相關訊號,那麼也無法推翻暗物質理論,只能說大概是人類的技術還無法偵測得到(理論派果然無敵呀!)。


想知道更多追尋希格斯玻色子的祕辛,就看PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》吧。

【關於 M. I. C.】
M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

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