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高能物理學之福爾摩斯探案,發現新粒子!--《科學月刊》

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」。

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2013年夏天,CERN終於確定他們在LHC對撞中發現的「新粒子」,就是「希格斯波色子」(圖片右邊黃色的粒子),此發現完備了「基本模型」,並將其正名為「基本理論」。但是,這真的是「最基本」嗎? Source: wiki

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。

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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。

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標準差(σ,為Σ的小寫),可以理解為「樣本偏離常態(均值)的多寡」。在樣本數趨近無窮的情況下,樣本偏離1.96個標準差表示「此現象有5%的機會由非實驗操弄所引起」,而3.89個標準差有0.01%的機會,這對社會科學(心理學之類)來說,已是相當顯著。文中提及的5個標準差,大約只有0.000057%的機會。圖為常態分部圖。 Source: wiki

除了上述的質量以外,從實驗的論文當中,我們還得知下列訊息。在過去8 TeV的LHC實驗中,約產生了數十個這樣的共振態,我們因此知道它的產生機率(或稱產生截面積)。從衰變模式看來,它應該是個玻色子(自旋角動量為整數的粒子),而且與電弱規範玻色子交互作用。從能量頻譜分析,知道它的總衰變強度應該小於100 GeV(十億電子伏特),算是個窄頻寬的共振態。另一方面,利用其他衰變模式來搜尋新粒子的實驗也告訴我們,這個共振態並不喜歡衰變到某些最終狀態,或稱末態(例如輕子末態),因而存在著一些限制。

追尋可能的線索

從這些有限的已知資訊中,國際上許多理論學家已經展開各種邏輯上可能性的討論,試圖將所有線索拼湊起來,提供一個合理、完整的圖像。在短短的兩個月內,已經有超過40篇的理論論文提出解釋,當中也有臺灣的貢獻。一開始,絕大多數的人很自然地想到,這個共振態可能是自旋為1的規範粒子(統稱帶電荷的W’或不帶電荷的Z’玻色子),其中包括國內張敬民、阮自強教授的工作。如果真是如此,這意味著自然界至少還存在另一種新的交互作用力,也許可以增加我們對大統一理論的了解。還有一種可能是,它是自旋為0的另一個希格斯粒子;國內陳泉宏教授即有一篇論文討論。如果是這種情況,就表示自然界存在不止一種希格斯粒子,這對宇宙早期的創生或許有重要的影響,對基本粒子質量的來源也會有不同的理解。

另一個有趣的可能性是,此共振態並不是一個基本粒子,而是由其他新粒子透過新的強交互作用所構成的合成粒子,這是為什麼大家保守地稱它為共振態的原因。這陣子在日本東京大學的訪問期間,我因緣際會與當地的物理學家共同合作,率先提出這種可能性以及建立一個具體的模型。在此架構中,我們猜想自然界在更高能量的尺度下,還有一群新的、更重的基本粒子,像是我們所熟悉的夸克,會互相凝聚、形成一系列合成粒子,並透過特定的媒介子與標準理論的基本粒子相互作用,而其中最輕的合成粒子可以成為宇宙中的暗物質。

如前面提到的,現在實驗的統計量還太低,LHC的超環面儀器(ATLAS)和緊湊渺子線圈(CMS)實驗組看到的共振態質量也不盡然吻合(分別為2 TeV和1.8 TeV),而且某些該發生的衰變也還未觀測到,所以現在看到的信號很可能又只是統計上的隨機漲落,讓人空歡喜一場。不過,大家都還是抱著很大的期待,特別是理論物理學家,希望透過它來嘗試新模型的建構,更盼望在LHC最近恢復更高能量運轉的短時間之內,可以確定它的存在,進而引導粒子物理邁向新的方向。

201510本文選自《科學月刊》2015年10月號

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