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「大強子對撞機」製造解密:大強子對撞計畫太新,很多需求技術超越時代,必須用摩爾定律去估算──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

臉譜出版_96
・2018/02/26 ・2580字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

龐大與精密兼備的大強子對撞機

3 萬 8000 噸的高科技機械,結合了巨大外型與極度精密的兩大特質,大強子對撞機位在一座長達 17 英里(27 公里)的隧道當中,該隧道當初是為了歐洲核子研究組織先前的大型電子正子對撞機(Large Electron–Positron Collider,簡稱 LEP)所建的。

大強子對撞機加速器由 1232 個偶極磁鐵和 392 個四極磁鐵、再加上一些功能更複雜的磁鐵組成,全部皆為超導體,並且在華氏 -456.3 度(攝氏 -271.3 度)的環境下工作,僅高於絕對零度(absolute zero)華氏 3.4 度(攝氏 1.7 度)(參見下方圖 1、圖 2)。

圖 1:顯示偶極磁鐵主要元件的示意圖。 圖/歐洲核子研究組織

超導體中電流的流動不會有任何電阻,某些材料──例如用於大強子對撞機磁鐵的鈮-鈦合金(niobium–titanium alloy)──當它們被冷卻到非常低的溫度時會變成超導,超導體因為電流更大,所以可以產生出比一般導體要強大得多的磁鐵。大強子對撞機超導磁鐵的電流為 1 萬 2000 安培,是常見家用電路的 1000 倍。傳統的磁鐵不可能強大到讓質子束轉彎、也無法將質子束維持在加速器的圓形軌道上,這部機器像目前這樣就已經夠大的了,它是一個 75 英里(120 公里)的環,想再更大也不會被允許。

我們可以用磁鐵來操控帶電的粒子束,就像我們可以用棱鏡和透鏡來偏離光束一樣。偶極(dipole)磁鐵用來使質子的軌跡轉彎,並使質子保持在圓形軌道中,四極(quadrupole)磁鐵則用於聚焦質子束,換句話說,四極磁鐵可以擠壓質子束。其他的多極磁鐵可以對質子軌跡作各項校正。要知道,質子每秒繞行 17 英里的大強子對撞機上達 11245 次;讓所有質子井然有序是絕對有必要的,才能讓他們保持在軌道上數小時。

圖 2:在地下 300 英尺(100 公尺)的隧道中安裝 1232 個大強子對撞機偶極鐵的其中一個。 圖/歐洲核子研究組織

磁鐵繞組(magnet winding)總共需要 4750 英里(7600 公里)的電纜,每根電纜包含 25 萬條導線束。導線束的總長度相當於從地球往返太陽 6 次,再加上 136 次往返月球和 24 次加拿大蒙特婁到法國巴黎航班的距離,剩下的距離還可以讓你走到轉角的店舖 1046 次。

在了解這一切後,這部機器耗時了 15 年建造一點也不令人訝異,尤其裡面一些所需的技術在計畫剛開始的時候並不存在,是在建造過程中才被開發出來。

打造大強子對撞機遠超越時代技術

舉例來說,整個大強子對撞機計畫(加速器和偵測器)所需的計算能力和儲存容量的可取得性與成本是用摩爾定律(Moore’s Law)以當時的技術估算出來的。摩爾定律指的是每一至兩年你可以用相同的價格買到兩倍性能的的電腦或兩倍的儲存容量。同樣地,當初設計觸發器(trigger)和資料收集系統(data acquisition system)的物理學家,在新科技出現以前便已寄望新一代更快速的電子模組能夠滿足他們的實驗需求。

1971-2011 電腦處理器中電晶體數目的指數增長曲線和摩爾定律。source:Wikimedia

就大強子對撞機本身而言,與其儀器設計相關的第一篇論文出現在 1980 年代中期。當時參與其中的科學家和工程師們估計,如果要達到原型的最佳性能,大強子對撞機所需的超導磁鐵(需數千個磁鐵)大概在十年內可以做到工業化量產,這個預言確實實現了![1]而連接超導電纜所需的技術也是如此。

所需技術的各個面向(例如感應焊接(inductive soldering)與超音波焊接)當時都已存在在其他領域,但只有歐洲核子研究組織的團隊與其他實驗室以及多個工業合作夥伴一同合作所開發的儀器才能夠滿足大強子對撞機計畫的規格和規模。這項技術開發的工作始於 1990 年代後期,2005 年其開發的結果已經可以用於大強子對撞機隧道上。同樣地,當時也有超導線的熔接機和切割機,但需要再修改才能符合大強子對撞機隧道的特殊規格。時至今日,大強子對撞機仍是目前規模最大、最冷的低溫設備裝置。

地底下、超真空:一個非常特別的「環」

如此圖的緊緻緲子螺管偵測器所示,加速器離子束管路通到四個大強子對撞機偵測器的心臟。 圖/歐洲核子研究組織

這個龐大的大強子對撞機圓環之所以會建於地底下 300 英尺(100 公尺)有兩個原因。第一,宇宙射線會干擾測量,所以把偵測器隔絕於宇宙射線的影響之外是絕對必要的;第二,保護人類和環境免受輻射影響也很重要。況且,考慮到當地房價,想蓋在地表上其花費也是無法想像的。

在大強子對撞機裡,兩束質子束在兩個獨立的真空管中循環,真空管內所有的空氣都被抽;如果沒有真空,質子將會與空氣分子碰撞,阻止其行進超過約 1/32 英寸(1 毫米)。強大的真空幫浦將壓力保持在 10-10 毫巴,即比大氣壓力低 1013 或十兆(10,000,000,000,000)倍。也就是說,在大強子對撞機管道中,每單位體積的空氣分子(例如每立方英寸或每立方厘米)比我們所吸入的空氣少了 1013 倍。

如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。圖/Maaark@pixabay

粒子束管壁上塗了一層在歐洲核子研究組織發明的一種叫做「抓住」(getter)的特殊材料,這種材料一旦加熱後會吸收真空幫浦中沒抽乾淨的剩餘分子,它的作用就像黏蠅紙的黏膠條一樣。粒子束管路當然須經完美密封,如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。

大強子對撞機很大,但同時也對最細微的擾動非常敏感。例如,我們知道月亮重力的拉力會產生潮汐,通常只能在大量的水體中觀察到這個現象(例如海洋),而無法在地殼中看到,因為地殼的流體性相對來說小很多。不過其實月球的吸引力也會使地殼每天經歷微小的形變兩次,只是這個形變幾乎無法被察覺。然而,由於大強子對撞機也會隨著地殼的形變而微幅移動,這個月球的作用力使得大強子對撞機的操作員必須不斷地修正質子軌跡,才能將質子保持在大強子對撞機粒子束管路內。我們甚至可以說大強子對撞機證實了月球的存在,儘管當初並不是為了這個目的而建造的。

注解:

  1. 舉例來說,在 1980 年代,超導磁鐵在 42.2度絕對溫度的環境下可以有每平方毫米 2000 安培的電流,並產生 5 特斯拉的磁場。大強子對撞機在相同條件下,可以有比這多 50% 的電流,即每平方毫米 3000 安培。

 

 

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》,臉譜出版

 

 

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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希格斯玻色子之後,持續運作的大強子對撞機又做了什麼?
科技大觀園_96
・2021/11/01 ・2735字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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。

粒子發現年表。2012 年,科學家在大強子對撞機的對撞事件中,找到希格斯粒子。圖/何庭劭繪

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? 

發現希格斯粒子的關鍵事件:希格斯粒子衰變到雙光子。圖/陳凱風提供

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。

大強子對撞機近期 CMS 偵測器照片。圖/陳凱風提供

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。

粒子物理標準模型的粒子成分。圖/Wikimedia commons

 「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。 

臺大物理系教授陳凱風。圖/簡克志攝

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。 

▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),做為 LHC 底下 CMS 實驗的新型偵測器,影片中可以看到模組上膠的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。
▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),為上述影片更進一步組裝的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。

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!」

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎?你一定用過CERN發明的這個東西!──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》
臉譜出版_96
・2018/02/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎?

基礎研究如大強子對撞機的建造成本很高,每個人都有權利詢問是不是值得。圖/Image Editor@flickr

粒子物理學的基礎研究當然是非常有趣的,但它也是很昂貴的。舉例來說,歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,簡稱為CERN )大強子對撞機的建造成本(包括人員、儀器研發和建造材料)約為 30 億歐元(約 33 億美元)。超導環場探測器本身的建造費用為 4.55 億歐元(5 億美元)。儘管這個數字看起來很大,但歐洲核子研究組織 8.25 億歐元的年度預算(約 9 億美元)只相當於每個年紀大到可以喝咖啡的歐洲公民喝一杯咖啡加總起來的費用。

但是這筆金額還是很龐大,所以每個人都有權利詢問這筆錢是不是花得值得。

在此,我將解釋投資於研究的經費不僅在經濟上帶來百倍以上的回報,而且可以造福整個社會。由於基礎研究帶來了科技上的突破,醫療技術和通信技術因而有所進步。物理學基礎研究徹底改變了我們的生活方式,而且改變還在持續當中。

以歐洲核子研究組織為例

在本文中,我主要以歐洲核子研究組織作為例子,因為它是目前最大且仍在運轉當中的國際性粒子物理學研究實驗室。

日本的 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex) 是一個多用途研究中心,他們也使用質子加速器。其他實驗室,如美國的 SLAC 國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory) 和費米實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL)以及德國的 DESY 一直到不久以前都還是非常活躍的粒子物理學研究中心,但他們的加速器目前已經停止運作。費米實驗室的主注入器(Main Injector)則仍在運轉中,為 MINOS、Minerva 和 NOVA實驗供應微中子束。其他實驗則正在等待批准或仍在前置興建階段。還有其他幾個較小的研究中心,例如加拿大薩德伯里的微中子觀測站實驗室(Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, SNOLAB),日本的高能加速器研究機構(KEK)和義大利的 Gran Sasso,這些研究中心都是專門研究微中子物理和暗物質搜尋。最近,有參與粒子物理學研究的所有國家決定在大型國際實驗合作計畫中共享資源(例如歐洲核子研究組織正在進行中的實驗合作計畫)。

每年有來自約五十個不同國家的二百五十名學生參與歐洲核子研究組織的暑期課程。這些學生不僅各種研究中都有貢獻,還與來自世界各地的年輕人交流。資料來源:歐洲核子研究組織

粒子物理學基礎研究的回報並不必然都是直接的。舉例來說,目前沒有人知道希格斯玻色子將來會不會有實際的用處,很可能不會!我們並不是因為期待希格斯玻色子能夠解決人類的大問題而做這個研究的。相反的,該研究的目的,是為了能更了解我們周遭的物質世界,並將提高我們的知識層次。

所以說,基礎研究實驗室的首要任務是滿足人類對知識的深度渴求。自從人類存在以來,人們一直都想知道自己的起源和命運。但這些實驗室其實還有其他三個主要目標:為科技發展作出貢獻培養高度專業的人力以及(就國際實驗室而言)透過科學研究促進和平與國際合作

基礎研究帶來燈光,而不止步於漂亮的蠟燭

不過,我們不該低估任何新發現的潛力。誰能預言一百年前物理學家在電子和電磁波上的研究,會對我們今日的生活產生如此驚人的影響呢?一件軼事(即便它有點爭議)可以用來說明這一點。據說英國財政大臣(即財政部長)曾質問法拉第(Michael Faraday)他的電學研究是否有任何潛在用途時,法拉第顯然回答說他不知道可以做什麼用,但法拉第補充說:「先生,將來有一天你可能可以課它的稅」。

正是對電學的基礎研究,徹底改變了我們的生活,讓我們的閱讀不再使用蠟燭。圖/MSphotos@pixabay

電子和電磁學的研究帶來了電子用品、電信和電腦的發展。過去幾個世紀中,物理學家的研究成果和技術人員和工程師的專業知識相結合,並將發現應用在現實中,進而重塑了我們的日常生活。如果沒有物理學的基礎研究,我們今天就會靠燭光閱讀。正如一位同事向我指出的,我們肯定會有非常漂亮的蠟燭,但就只是蠟燭。基礎研究不僅對我們的生活產生重大影響,而且也啟蒙了我們的精神,使人類擺脫了無知的沉重負荷。

不管在理論還是在實驗,好奇心都引導了基礎研究。基礎研究必須不受到限制,使想像力和創造力得以自由流動。縱使無法保證一定能夠發現什麼,但物理學家必須檢視所有的可能。另一方面,應用研究的目的,在於為具體的問題找出實際的答案,它以基礎研究為本,帶來了科技突破,並有更進一步的發展。物理科學應用於其他學科之中,也在各個工業領域當中扮演了重要的角色。從經濟的角度來看,物理學影響著整個社會,我們在本章中將看到,物理學在各領域、各方面的成績,已在日常生活當中影響我們每一個人。

對各國的經濟回報

已有幾份研究試著評估基礎研究對經濟所帶來的影響。經濟與商業研究中心(the Centre for Economics and Business Research, CEBR)為歐洲物理學會(European Physical Society)所做的研究很具啟發性。這份研究是從科技和科學的角度評估基礎研究對歐洲物理學的產業所造成的影響。因此,它涵蓋了所有仰賴電機工程、機械和土木工程、能源、計算、通信、設計製造、運輸、醫學和航空的經濟活動。

仰賴物理學的產業對於歐洲個過總收入之貢獻的百分比,這些國家以其雙字母代碼表示:DE為德國、FR為法國、GB為英國、IT為義大利、ES為西班牙、NO為挪威、NL為荷蘭、CH為瑞士等。 資料來源:歐洲物理學會

2010 年的統計指出,仰賴物理學的產業共為歐盟的 27 個國家、瑞士和挪威創造了 3 兆 8000 億歐元的收入(上圖),相當於這些國家總收入的 15% 左右,超越了零售業的總額。總共有 1 千 5 百 40 萬人在這個產業工作,也就是歐洲總勞動人口的 13%。

促成跨時代的科技發展

在大強子對撞機中,4-緲子候選事件示意圖。圖/ ATLAS, Collaboration @wiki

正如我們在整本書中所看到的,當今粒子物理學的研究需要高度精密複雜的工具才得以進行。通常在設計階段,大型實驗所需的技術並不存在,這些技術必須在過程當中被開發出來,特別是像大強子對撞機這樣二十年前就開始籌備規畫的超大型計畫。大強子對撞機的建造工程,使得若干技術超越當時的疆界,過去從不曾有任何儀器會用到如此強大的超導磁鐵,更不用提這整個計畫的規模,超導、極度真空和極度低溫相關的技術都因此而有很大的進展。

大型實驗合作計畫的所有測量設備也是如此,大強子對撞機所使用的偵測器都需要更高的抗輻射能力以及更高性能的電子模組,在承受極端輻射水平的同時,還要能夠高速與大量採集數據。這個需求提供了建造網格(Grid)的動力,網格是一個龐大的計算機網絡,串聯了成千上萬台遍布在世界各地的電腦,提供了大強子對撞機實驗所需的計算能力。

技術方面的進步已化為現實,並應用在各式各樣的產業中。簡單舉幾個例子,這些應用包括了配有光纖的濕度感測器、使用永久磁鐵之引擎的隔膜系統、設計印刷電路板的開放原始碼軟體,以及 3D列印的附加處理技術。

全球資訊網──來自歐洲核子研究組織的最好的禮物

某些發現也對大部分地球居民的日常生活有直接影響。例如歐洲核子研究組織最成功的結果:全球資訊網(World Wide Web)。全球資訊網深遠地改變了我們取得訊息和知識的方式(包括新興國家),從而影響到地球上數十億人的日常生活。

提姆‧伯納斯-李在歐洲核子研究組織工作時發明了全球資訊網。這張照片攝於1994年,當時他正坐在一個電腦螢幕前面,而螢幕上顯示的正是世界上第一個網頁。根據資料,全球資訊網每年刺激了市值 1.5 兆元的商業交易量。資料來源:歐洲核子研究組織

到目前為止,歐洲核子研究組織對人類最大的影響並不是發現了希格斯玻色子,而是發明了全球資訊網(World Wide Web,簡稱WWW)。全球資訊網是由提姆.伯納斯─李(Tim Berners-Lee)和他的團隊於 1989 年開發出來,當時他在歐洲核子研究組織工作,而當初開發的目的是為了要解決一個影響到歐洲核子研究組織成千上萬名研究人員的問題。科學家們需要一個能有效交換訊息的通訊方式,大多數這些物理學家經常在他們自己的研究機構和實驗室之間穿梭,以參與各種研究活動。為了讓這些物理學家可以彼此交換訊息而不需在行李箱中拖著幾公斤列印出來的文件,全球資訊網於焉而生。

如果說伯納斯─李是一位有遠見的人,那麼我們也可以說歐洲核子研究組織具有非常前瞻的想法,決定將全球資訊網開放給全人類使用,而不要求任何版權收入。由於歐洲核子研究組織的研究是受到公共資金資助,因此我們也希望全球資訊網能使每一個人都受益。網路使得資訊可以在世界上任何地方流通和取得,誰能忽視這個溝通工具對我們的生活所產生的影響呢?

粒子物理學界有愈來愈多人認同「開源」(open-source)的觀念,例如像是知識可以自由、免費地共享,並且透過網路傳播開來。歐洲核子研究組織的實驗結果已經不再只發表在昂貴的專業期刊上,現今所有的資訊都可以在「開源」社群媒體中取得。不僅在科學出版方面是如此,有些軟體也是以合作和共享的精神和其他的機構、業界或社會共享。這樣可以確保來自新興國家的大學和機構不至於處於劣勢。

 

 

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》,臉譜出版

 

 

 

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