科學研究能吃嗎？粒子加速器的食用價值——抖宅翻譯蒟蒻

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《撞夠了沒？還沒！大強子對撞機續集上映中》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

大強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）隸屬於歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research, CERN），是一座巨大的粒子加速器，它包括一個位於地底、周長 27 公里的粒子加速環，就像粒子的跑道一樣。質子或是重離子在超導磁鐵的引導下，在跑道上急速奔跑然後對撞，物理學家就從這些對撞事件中，尋找新的粒子，探究未知的物理。

LHC 在 2012 年就撞出了眾所期待的希格斯粒子，當時的物理界一片歡欣雷動，而最早預測希格斯粒子存在的希格斯本人以及同年提出理論的恩格勒，也在隔年獲得諾貝爾物理獎。LHC 很快就把主線任務解完了，那然後呢？ 8 年過去了，LHC 並沒有因為主線任務解完就退休，這些年來，它仍然努力的製造一次又一次的對撞事件，畢竟科學家預期在 LHC 的撞擊能量尺度，應該還可以看到一些新東西，然而實際情況是如何呢？ 

偏偏不倒的危樓—標準模型

在 LHC 找到希格斯粒子之後，研究團隊於 2015 年底起，把 LHC 的對撞能量從原本的 7 TeV 或是 8 TeV（1 TeV=10¹²電子伏特）調高到 13 TeV，運作了 3 年，這段時期稱為 LHC 的 Run II。撞擊的能量愈高，就愈能撞出罕見的事件。更明確的說，LHC 能撞出的粒子質量上限，大約落在總撞擊能量的 1/6，（在粒子物理中，粒子質量通常以能量單位表示），比這個能量更重的粒子出現的機率太低，事件樣本也太少，因此要有更多觀察，就必須把對撞能量拉高，並且累積更多數據。

全世界的物理學家正在針對這 3 年的數據做分析，長期參與 LHC 實驗的臺大物理系教授陳凱風說：「雖然還沒有分析完，目前的確是存在一些不能被排除的意外訊號，但是統計上還不足以證實這些是新物理所造成的現象。」在尋找新粒子這個目標上，雖然研究成果豐碩，但是量測結果並沒有明顯超出標準模型的範疇。

另一方面，研究團隊也希望根據新資料的分析，來修正標準粒子模型裡的參數，但目前測量出的結果，卻都和理論預測大致相符。「這是一種很詭異的感覺。」陳凱風形容。事實上，現有的標準粒子模型並不是很穩定，陳凱風說：「我們認為目前的理論架構一定有些毛病，但偏偏又找不出來。這就好像我們蓋了座危樓，但又找不出如何補強它，而地震來它還偏偏不會倒。大概就是這麼微妙的感覺！」

舉例來說，標準粒子模型包括了六種夸克：上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克，以及六種輕子：電子、緲子、濤子，以及三種對應的微中子。而其中的頂夸克質量明顯比另外五個夸克大非常多，而微中子的質量小到無法直接測量，這在物理學家眼中，是不應該自然發生的；此外，標準模型也無法滿足這個幾乎只存在物質、絕大多數反物質都消失的宇宙。為了解決這個問題，物理學家也提出一些假設，例如，會不會其實還有更重的夸克與輕子、或是更多奇異的玻色子存在呢？「但從 LHC 的實驗結果，我們還沒有找到符合的訊號。」陳凱風說。

 「你當然也可以說，反正宇宙就是這樣運作，但我們覺得背後一定有某個機制導致這樣的結果，只是我們就是沒找到。」陳凱風並且以 100 多年前的元素週期表舉例，當初的週期表也是東缺西漏，但隨著一個個新元素的發現，這些缺口也漸漸被補滿。「而現在的標準粒子模型，就像是有著漏洞、明顯還沒完成的拼圖，卻又找不到東西來填補。」陳凱風說。 

Run III — LHC 改頭換面

儘管 LHC 的 Run II 呈現的結果意外的平靜，但 Run III 已經準備在明年啟動。

在 Run III 階段，LHC 將把對撞能量再往上調高至 14 TeV以上，這是 LHC 當初設計的最大許可能量。另一方面，研究團隊將對 LHC 做許多技術上的修改測試。這是因為在 Run III 結束後，LHC 將進行一次大改造升級，要將每次參與對撞的粒子數量與密度提升，這樣一來，對撞事件發生的次數會跟著上升 5~10 倍。

為了因應這樣的升級，許多軟硬體、零件也必須跟著升級，其中最重要的一項就是偵測器。比如說目前 LHC 底下的 CMS 實驗所裝載的量能器，主要材料是以一種鉛鎢玻璃晶體為材料的閃爍體，而這些安裝在偵測器頂蓋處的晶體長期接受高輻射劑量，已經有了不少缺陷，變得愈來愈不透明了。陳凱風說：「試想如果升級之後，還用一樣的零件材料，那原本經過 10 年才會損壞的，現在只要 1 年就會接近無法運作了。」因此，偵測器必須跟著升級才行。

新的量能器（High Granularity Calorimeter, HGCAL）會以矽半導體材料為主，並且切分成 28 層排成一列，這樣做的好處除了較不易打壞外，每一層都能獨立送出粒子經過時的位置資料，可以更準確地描繪出粒子穿越偵測器的物理反應。目前由臺大物理系教授呂榮祥、裴思達主持的硬體實驗室，就正在研製這種新型量能器。再加上也會一同升級的各種裝備，未來可以對粒子的物理特性有更精準的量測。 

LHC 有來自全世界 85 個國家、超過 8,000 位物理學家參與，可說是全世界最大的實驗計畫。但在加速器的發展上，LHC 可能還不是終點，未來計畫籌建的加速器計畫，還包括 CERN 的未來環形對撞機（FCC）、中國的環形正負電子對撞機（CEPC），以及日本的國際直線對撞機（ILC）等。

雖然說這些計畫是否真的會有所進展，還要看未來的局勢發展，但我們不妨期待包括 LHC 在內的這些實驗計畫，會繼續帶給我們怎樣的驚喜！就如陳凱風在訪談快結束時所說：「希望我們下次討論的，是在對撞的數據中，我們發現了什麼有趣的新物理！」

• 文／章文箴，中研院物理所研究員。

物理的發展中，從過去於自然界中的觀測，到今日利用強大能量的對撞機，尋找尺度更小的粒子一直是物理學家的目標。但粒子到底是如何被製造的呢？本文將解開粒子對撞機製造新粒子的機制。

人類為了發現比原子更小的新粒子，早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物，例如渺子、正電子等；而質量較大的粒子，由於它們容易衰變，生命期短，因此不易觀測。

隨著加速器的發明和使用，後續大多利用加速器產生高能量的質子束或電子束。在碰撞的過程中，能量足夠的情況下，透過特定反應產生並觀察新粒子。

質量是基本粒子的特性，也是辨認它們最重要的實驗證據，利用加速器所產生撞擊事件產生新粒子，碰撞過程的質心系能量 (center of mass energy) 必須大於新粒子的質量，才能透過質能互換，產出生成全新粒子。

因此，在找尋質量更大新粒子的過程中，加速器的能量必須不斷地提升，也由從撞擊固定靶的實驗，轉換成對撞機實驗，達到足夠的質心系能量。

J/Ψ粒子的發現

以 1974 年所發現的 J/Ψ 粒子為例，其質量大約 3 GeV∕c²，由魅夸克 (Charm quark) 和反魅夸克所構成，因為魅夸克的質量遠高於當時已知的上夸克 (up quark)、下夸克 (down quark) 及奇夸克 (strange quark)，受限於加速器能量的提升，在搜尋上拖延了一段時間，甚至讓物理學家猜測是否夸克只有以上的三種。

後續由丁肇中先生所領導的團隊，利用當時美國紐約州布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory, BNL) 剛完成全世界最高能量的加速器──交變梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS) ，將質子束加速到 30 GeV，與固定鈹靶撞擊，此撞擊質心系能量大約為 7.75 GeV，因此得以產生並觀測到質量大約 3.1 GeV∕c² 的 J/Ψ粒子。

而同一時間，美國加州 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory)，透過正負電子湮滅反應，由能量直接生成新粒子，找尋 2.6~8 GeV∕c² 區間的新粒子，也同樣在 3.1 GeV∕c² 處發現 J/Ψ 粒子。兩團隊在 1974 年 11 月同步宣布發現，確認第四種夸克的發現，這項科學重要里程碑，在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。

澄清聳動新聞報導中的兩個專有名詞

在最近國內一則新聞報導提及，有研究人員在重氫與重氫核融合的過程中，宣稱觀察到 W 中間子的生成，並可透過此過程取得穩定能量。

筆者認為在該報導中有兩點需要進一步被澄清：W中間子觀測與核融合技術。

W 中間子的觀測

核反應後原子核中不穩定的中子可透過弱交互作用力，轉換成質子成為穩定核結構，稱之為 β 衰變（下圖）。而 W 中間子正是弱交互作用力的交換粒子，但此處的 W 中間子在理論架構中只是一個虛粒子 (virtual particle)，代表動態量子場中能量和動量的傳遞，該處的質量是變動的而非定值，因此 β 衰變的發生，並不能視為實際發現弱交互作用力中 W 中間子的證據。

科學界對於 W 中間子的發現與確認，是源於歐洲核子研究組織 (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN) 實驗室於 1983 年，在 400 GeV 質子和 400 GeV 反質子對撞後，所產生質心系能量可高達 800 GeV 反應中，觀察到質量大約 80 GeV/c² 的W玻色子，該研究成果在 1984 年贏得諾貝爾物理學獎，從此 W 粒子的質量測定成為高能物理實驗的量測準確的檢驗方法之一。

人類一直在追尋的技術：核融合

關於核融合反應，事實上是與日常生活息息相關。

在太陽內部，每一秒有 60 億公噸的氫核透過連續核融合反應轉換成氦核，其中的質量虧損轉換成能量形式放出，提供地球上的生物與人類生活上不可或缺的光和熱。

而太陽內部的核融合反應能夠發生，歸功太陽內部強大的重力場，讓原子核能克服核子間的庫倫斥力，彼此靠近到約 10^-15 公尺的距離，讓短距離的核力得以作用。

人類為了尋求穩定能量的來源，人造的核融合反應已研究超過 60 年，但是在技術層次上仍面臨重大困難。

過去曾嘗試利用加速器或電漿加熱方式，試圖克服核子間的庫倫斥力，以產生核融合反應，但是整個過程中所投入的能量，卻大於核融合反應後所釋放出的能量，無法達到能量的損益平衡，毫無商業運轉的價值。

目前位於法國的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 計畫正集合來自全球各地 35 國之力，期望能在 2035 年底前突破此挑戰，讓人造核融合反應成為人類穩定能量的來源。

科學技術的源自於長期累積

科學和相關技術的進展需要長時間、大量人力與物力投入，透過嚴謹討論辯證、量化的測定、可重複的結果逐步累積，絕非一蹴可幾，也因此得以帶來對人類深遠的影響。

筆者期待藉此文提供讀者一些科學基本的知識得以用來判斷相關新聞報導的真假，更期盼臺灣社會大眾，能夠有正確眼光和態度，支持科學長期的發展，多充實科學基本知識，避免只感興趣於聳動性的新聞報導。

〈本文選自《科學月刊》2019 年 10 月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡，卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

一九七八年，俄羅斯科學家阿納托利．布戈爾斯基（Anatoli Bugorski）在視察俄羅斯最強的粒子加速器（能把亞原子粒子加速到接近光速的機器）「U–70」時，遭主粒子束打中後腦勺，並從鼻子穿出。他不覺得疼痛，只表示看到「宛如上千個太陽的閃光。」醫生速速把他送去醫院檢查，以為他會死於輻射中毒。不過，除了臉部癱瘓、偶爾癲癇、輕微輻射病及頭上有個小洞之外，布戈爾斯基並無大礙，繼續完成博士學位。

那強百倍的大型強子對撞機可以嗎？

這是不是表示，你可以把手放進歐洲新的大型強子對撞機（Large Hadron Collider）？你會不會得到一個挺酷的傷疤，除此之外毫髮無傷？不。你和你的手都不會這麼幸運，畢竟俄羅斯 U–70 加速器的威力還不到大型強子對撞機的百分之一。

大型強子對撞機是世上最強大的粒子對撞機，可把在十七哩（二十七公里）圓型隧道內的質子，加速到 0.99999999 c（時速僅比光速少七哩），並在世上最大的撞擊大賽中讓它們相撞。這撞擊威力相當強大，曾引發小社群強烈反彈，擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。

大型強子對撞機可把質子加速至0.99999999 c（時速僅比光速少七哩）。它們相撞的撞擊威力相當強大，曾引發小社群強烈反彈，擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。圖/pixabay

這質子束是由一千億個質子構成，若加速到接近光速，會帶有巨大能量，相當於四百噸的列車以時速百哩前進。

質子束的能量很強，可在一毫秒內在銅中鑽一百呎（約三十公尺）深。正因如此，多數加速器都指向地底，以免故障時質子束射向城市，造成傷亡。

震破耳膜的巨響──電子束的第一波衝擊

這樣你該明白，為什麼不能把手伸進質子束了吧？但假設你沒看見警告標誌，仍然把手伸進去。那麼，第一個會出的問題是什麼？你的耳朵。

在大型強子對撞機中，碳纖維骨架引導質子束的前進。如果質子束偏離，會撞擊到碳纖維，這聲音聽起來就像你站在演唱會的喇叭之前那麼大聲。之後，當科學家做完實驗，這質子束的能量就會被扔進當作質子阱（proton trap）的石墨塊，聽起來像是兩百磅（九十一公斤）的黃色炸藥（TNT）爆炸，足以震破耳膜。

因此，你得戴耳塞。但說真的，耳膜震破是最不嚴重的問題。更大的問題在於質子束的力量。

手一動就切兩半──電子束的第二波衝擊

質子會毫無阻礙地通過你的手。質子束很小，寬度只和鉛筆的鉛芯差不多，且移動速度之快，你根本不會覺得痛。質子束很可能錯過你的骨頭，你的手或許能繼續正常運作，但只有手掌在非常非常靜止的時候是如此。

U–70 俄羅斯反應器不僅力量比大型強子對撞機小得多，而且只打出一發，因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍，在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離，質子束就會把你的手切成兩半。

千萬別這麼做。

輻射中毒而死──電子束的第三波衝擊

質子穿過你（但願是）靜止的手時，還會發生另一個更嚴重的問題。移動得這麼快的粒子必定有強烈的輻射。即使你離質子束好幾公尺，得到的輻射量還是會和照完整的胸腔 X 光一樣。

不過，如果質子束打到你，你究竟會得到多少輻射卻很難說。質子束本身帶有極大量的輻射，殺死你還綽綽有餘，不過大部分的輻射會錯過你。這是因為，雖然你認為你的手是靜止的，但從原子層次來看，其實是很大的空間。

如果你手上的一個原子放大成足球場的規模，那麼原子核就是在五十碼處的一粒彈珠。由於朝你發射的輻射子彈也相當小，多數都會錯過，因此饒了你一命，你不會馬上死。可惜的是，雖然大部分會錯過，但你可能被剛好夠多的輻射量擊中，於是緩慢而痛苦地死去。

即使 U–70 加速器不到大型強子碰撞機力量的百分之一，就差點讓布戈爾斯基死於輻射中毒。有鑑於此，我們敢打包票，大型強子碰撞機的質子束必定會奪去你的性命。質子束打到你手部時所產生的粒子，會以至少十西弗的輻射毒害你全身，而你的經歷會像一九九九年日本東海村核燃料製備場的意外中，兩名死亡的工作人員一樣。

巨量輻射讓你怎麼死？

大內久與篠原理人在製造小批量的核燃料時，因配方計算錯誤，導致混合物發生臨界事故。即使是接觸到致命的輻射量，受害者也不會立刻感到不適。症狀可能要經過幾個小時才會浮現。但是暴露在極端大量的輻射量時（例如你、大內久與篠原理人），症狀卻會馬上出現。

等到質子束穿過你的手，你眼前會馬上出現藍光，這是因為輻射通過你眼球液體的速度比光速還快（光速在水中的速度，比在真空慢三○％），並產生看起來是藍色的電磁波，稱為「契忍可夫輻射」（Cherenkov radiation）。大內久與篠原理人都說看見房間變成藍色，然而安全攝影機卻未顯示任何顏色改變。

質子束的能量會讓你變熱，因此你除了覺得房間顏色變藍之外，也會感覺變得很熱。你也會馬上想吐，因為輻射攻擊胃壁。你的皮膚則嚴重灼傷，此外還呼吸困難，可能失去意識。

你的白血球數量會降到趨近零，免疫系統無法發揮作用，內臟慢慢受損。醫生能治療你的症狀，卻無法挽回遭到輻射毒害的器官。你會在四到八週內死亡，確切時間取決於你所接收到的輻射量及內臟損壞惡化的速度。

不過，你手上的洞會很小，遲早會癒合，只留下小小的傷疤。

本文摘自《然後你就死了：被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》，2018 年 5 月，臉譜出版。