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發現希格斯玻色子之後:大強子對撞機未來二十年要做什麼?──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

臉譜出版_96
・2018/02/26 ・2969字 ・閱讀時間約 6 分鐘

 我不會算命,對長期預測也不特別有天份,但就跟大多數的粒子物理學家一樣,我預期未來十到二十年間將會有快速甚至革命性的發展。過去的歷史顯示了,每一次加速器增加其可及能量,就會發生驚人的進展。

發現了希格斯玻色子之後,最受期待的發現是什麼呢?

照目前的情況來看,儘管大強子對撞機第一期是在低於原先規畫的能量下運轉的(8 TeV),但那段時期所取得的數據(第一階段運轉[Run I])還是極為成功的,它讓我們發現了希格斯玻色子。隨著 2015 年以更高能量(13 TeV)和更高強度重新啟動,我們更可以對此滿懷希望。那麼在未來幾年,最受期待的發現是什麼呢?

大強子對撞機重要的構件之一「緊緻渺子螺管偵測器」。圖中加速器離子管束通到四個大強子對撞機偵測器的心臟。 資料來源:歐洲核子研究組織

2015 年 12 月的年底會議上,緊緻緲子螺管偵測器和超導環場探測器實驗組都報告他們發現了幾個事件,這些事件可能揭露出一種新型玻色子的存在,它的質量大約在 750 GeV,即希格斯玻色子質量的六倍。由於以更高能量重啟大強子對撞機有它困難的地方,超導環場探測器和緊緻緲子螺管偵測器在 2015 年 13 TeV 所收集到的數據量就比在 2012 年8 TeV 時累積的數據量少了五到七倍。

因此,當實驗物理學家們發表這些結果時,他們非常小心:數據樣本小,總是容易出現統計波動。但是幾十年來一直渴望出現新物理之跡象的理論物理學家們馬上就行動了。他們在一個月內便(包括年底的假期)發表了 170 篇理論學術論文,意思就是對於這個尚未被發現的新粒子,理論物理學家們已經有 170 種不同的解釋。

只有時間能證明這一切的興奮是不是理所當然的,但這個現象清楚地說明了物理學家有多麼希望,在未來的幾年之中能夠有重大的發現。會不會像希格斯玻色子一樣?它在 2012 年 7 月被正式發現之前一年,其實就已經出現一些微弱的跡象。在這本書出版之前(2016 年 2 月),我們並沒有足夠的數據可以證明「新型玻色子存不存在」。這就好像我們在多霧的日子朝遠處看望,試著猜測火車是不是來了。只有時間能夠證明出現在地平線上、幾乎看不見、模糊不清的形狀是期待已久的火車,還是只是幻覺。2016 夏天這個問題應該會得到澄清,屆時將有更多的數據,我將會在我的網站上發布最新的進展(編按︰這個新粒子目前(2018)已被證明只是統計波動)。[1]

大強子對撞機未來二十年要做什麼?

2013 至 2014 年第一次長期技術停機期間大強子對撞機進行了強化計畫,這是參與該計畫之技術團隊成員的一部分。這張照片是在他們完成加速器的第 1695 個部分後拍攝的。這一主要工作計畫使得大強子對撞機在 2015 年達到了 13 TeV 的能量,也就幾乎是 2012 年可及之運轉能量 8 TeV 的兩倍。 資料來源:歐洲核子研究組織。

在第一階段的運轉期(以第一階段運轉[Run I]表示),緊緻緲子螺管偵測器和超導環場探測器實驗都在 7 TeV 和 8 TeV 處收集到了 25 個逆飛邦(inverse femtobarn,或以 fb-1 表示)的數據,逆飛邦是用來測量數據量的單位,這相當於約 2500  兆筆事件。在第一次長時間的技術停機後(即長期停機 1[Long Shutdown 1]),大強子對撞機於 2015 年以較高能量重新啟動,開始了第二階段的數據採集(第二階段運轉[Run II])。

2015 年 12 月之前,超導環場探測器和緊緻緲子螺管偵測器只在 13 TeV 收集到了幾個逆飛邦的數據,第二階段運轉將持續到 2018 年年底,並且應該會產生四倍於第一階段運轉的數據,即 100 fb-1 。大強子對撞機在未來二十年當中,會採用運轉期和保養期輪流交替的營運策略。數據量預計會在 2021 年至 2023 年的第三階段運轉期間達到三倍,即 300 。最終,2037 年左右第四階段運轉結束時,數據量將達到 3000  fb-1 ,屆時將有足夠的數據來滿足每個人。

為什麼不讓加速器連續運轉並最大化事件收集的數量呢?目前的想法是讓加速器以最大負載量運轉大約三年,然後停機大約兩年,停機期間可以增加機械的功率,並進行所有無可避免的保養工作。以這樣的方式,各個實驗也可以善加利用中斷的時間來更換或修復任何受損的子偵測器,並在需要時安裝改良過的子偵測器。

每個停機期間也為實驗物理學家提供了一個機會,來完成上一次數據採集期間所有數據的分析,並為下一個階段作準備。例如,在每次新階段開始運轉之前,有必要製作出對應於新運轉條件的大量模擬事件。這些事件對於決定各種分析的選擇標準則是無可或缺的。

2013 至 2014 年第一次技術停機不僅進行了大規模維修,同時也執行了一個龐大的強化計畫(參見下圖)。這使得大強子對撞機能夠達到其額定的(nominal)能量和光度(luminosity),也就是最初規畫的粒子束強度。光度測量的是射束當中每平方公分每秒的質子數。射束愈密集,發生對撞的可能性愈大。

2013 至 2014 年所做的大強子對撞機強化工作的細節。 資料來源:歐洲核子研究組織。

自 2010 年至 2012 年,大強子對撞機是以其額定光度的約 75%、以較低的能量運轉的,也就是 8 TeV,而不是預計的 14 TeV。這個功率上的縮減是必要的,為的是避免另一個意外事故發生。2008 年,大強子對撞機啟動後十天發生了一個事故,這對加速器造成相當大的損害,並使加速器停止運轉超過一年。第一次長期的技術停機因此主要用於改善超導磁鐵之間的相互連接(2008 年事故發生的起因),並使得加速器在 2015 年能夠以 13 TeV 的能量運轉。另外在未來數年也規畫了兩次長期的技術停機,以增加加速器的功率並產生更多數據。

國際科研合作與大強子對撞機的中長期未來

在過去數年之中,參與粒子物理學研究的國家,在做法上有了根本的改變。每個人現在都意識到,沒有一個國家能夠獨自負擔得起今日所需之高度發展的精密工具,也就是偵測器和加速器。國際合作因此成為常態,如此才能整合這類超大型計畫所需的人力、技術和經濟資源。歐洲核子研究組織於是在國際社會中扮演了一個更為核心的角色,並持續邀請新國家加入他的行列。

粒子物理已成為國際合作的象徵,幾個關於新加速器的研究計畫已在進行當中,預計將在 2037 年左右大強子對撞機退役時啟動。儘管最終的意向尚未確定下來,但所有國家都同意在國際合作的框架下展開工作。

緊緻線性對撞機(linear compact collider,簡稱CLIC)是歐洲核子研究組織目前正在研究的一個計畫,可能是大強子對撞機停後的後續計畫。得益於其低能量但高強度的主粒子束,緊緻線性對撞機可能可以產生高能的電子-正電子對撞。 資料來源:歐洲核子研究組織。

那麼,對於這些偵測器和加速器,我們所能期待的最驚人的發現是什麼呢?一個能夠揭露超越標準模型的「新物理」其性質的新粒子嗎?理論假設(例如超對稱)的證實?還是暗物質粒子的發現?還是一個完全意想不到的驚喜?如果這些全部都發生會很棒,無論可以揭露什麼,無論是我們預測的或是超出預期的,就如同過去每當加速器的能量躍升時,我們都證明了,在這個當下,新發現發生的機會極大。

未來的前景非常令人興奮,科學界間的氣氛也很狂熱,因為我們即將開創新的局面,這一點激勵著成千上萬今日投身於粒子物理學界的物理學家們。很快的,人類對這個世界有多一點點的認識,並可以笑著入睡。

注解:

  • 可以在 twitter 上追蹤作者 @GagnonPauline,或參考作者網站上的更新,了解更多粒子物理學界的新消息。

 

 

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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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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