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希格斯玻色子的發現,與仍待破解的質量謎題──《這世界難捉摸》

天下文化_96
・2018/04/28 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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大家都覺得很重要,但希格斯玻色子到底是什麼?

2012 年粒子物理學家正式宣佈發現希格斯玻色子,這件事馬上變成國際頭條,《紐約時報》寫道「希格斯玻色子的發現,代表科學的進步,能對現代文明提供最好的解決方案。」每個人都像發現大秘寶一樣興奮,不過清楚知道自己在興奮什麼的人應該不多……不信的話我們先來做個小測驗好了!

希格斯小測驗

一、在「希格斯玻色子」這個名字用來命名粒子之前,它最為人所知的是:

  1. 兒童最愛的電視小丑
  2. 中情局最危險的間諜代碼
  3. 在「星際大戰」中,天行者路克的兒時玩伴
  4. 你朋友在「龍與地下城」中的角色

二、對或錯:如果直接吞下去,希格斯玻色子比超火辣口味「奇多」更容易上癮。

三、對或錯:希格斯玻色子是希格斯和玻色這兩位理論家所預測的粒子。

看完文章後在附註中核對你的答案,看看你知道多少:)註1

2012年,希格斯玻色子宣布被發現。上圖為希格斯玻色子通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成這樣的景象。圖/Lucas Taylor / CERN@wikipedia

認真來說,找到希格斯玻色子是科學的一大勝利。它給了我們一個最佳展現,那就是:尋找模式是了解宇宙的良好方針。

希格斯玻色子可能存在的想法,來自於研究傳遞作用力的粒子模式,以及關於它們質量的問題,這些粒子是光子、W玻色子和 Z玻色子。物理學家問:「為什麼它們其中的光子沒有質量,但是其他粒子(W及Z)的質量非常大?」就一個我們稱為質量的標籤來說,這種有些力場粒子質量是零,但有些不是零的特殊情況,實在是太奇怪、太莫名其妙了。

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希格斯和其他幾位粒子物理學家關注了這個問題一段時間,就決定這樣找出答案:把質量做出來吧。

真的,他們就是這樣做的!如果你再添加一個粒子(希格斯玻色子)和它的場(希格斯場)到方程式裡,那麼把質量視為粒子標籤(以及某些粒子為何有更多質量)的想法,就開始有了意義。

大致說來,這個理論可以如此陳述:

希格斯場可以想像成一個瀰漫整個宇宙的場。它可以做其他場不能做的事:既非吸引力也非排斥力,而是讓粒子寸步難行或是速度減緩。希格斯場能讓粒子達到與擁有慣性質量般的相同效果。

希格斯場與粒子之間的交互作用愈多,粒子看起來擁有的慣性(或是質量)就愈大。這進一步暗示,粒子與希格斯場交互作用所產生的慣性,就是粒子的質量。這就是粒子「擁有質量」的定義。

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一些粒子非常強烈的感覺到希格斯場,代表它們需要很大的力量來加速或減速:這些粒子有很大的質量。其他粒子幾乎感覺不到希格斯場,所以它們只需要很小的力量來加速或減速:這些粒子幾乎沒有質量。

讓我們花點時間思考一下。希格斯場的發明,是一個典範轉移的見解,同時也是一個明顯無趣的聲明。

希格斯場是一個典範轉移, 因為它給了你對於「質量是什麼?」這個問題,一個全新的思考方式,這是不得了的成就。但是,希格斯場的論述也是沒什麼大用的,一旦你接受了粒子質量不過是神祕的量子標籤,而不是粒子的內含物。

事實上, 它沒有解決最重要的問題:「為什麼粒子有不同的質量?」 所有的理論都是把一個問題變成另一個不同的問題:「為什麼所有物質粒子對希格斯場的感覺都不一樣?」

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根據希格斯理論,物質粒子的質量大小並沒有特別的理由。質量大小就好像是隨機選擇一樣,也可以有完全不同的數值。即使你改變質量,也不會打破任何理論,現有的物理定律仍然照樣運行。

希格斯理論確實解釋了為什麼作用力粒子(光子、W 和 Z)具有現有的質量,但是不能通盤解釋物質粒子為什麼具有不同質量(為什麼有些與希格斯場交互作用多,而有些卻很少)。質量大小可能有種模式,但是到目前為止,最好的宇宙理論只將物質粒子的質量列為任意數目。

重力質量

我們來到了有關質量奧祕的最後一片拼圖。

當我們之前思考如何測量某物的質量時,你很可能也想到了一個不同於發泡膠子彈玩具槍的精確方法:何不用磅秤!

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磅秤能測量物體的重量,也就是測量地球對物體施加的重力拉力。這與質量密切相關,因為擁有更多的質量,受到地球的拉力愈大。在一個粒子的情況下,你也可以把重力質量看成「重力荷」。當兩個粒子有電荷時,它們彼此感覺到電力,電力與電荷成正比。以同樣的方式,當兩個粒子具有質量時,它們感受到與自身質量成比例的重力吸引力。

奇怪的是,重力只有吸引力。

兩種質量是一樣的嗎?

重力質量與我們前幾頁談論的慣性質量相同嗎?可以說是,也可以說不是。

說它不是,因為我們所謂的「重力質量」,似乎決定了施加在物體上的重力,而且我們使用不同於慣性質量的技術(磅秤)來測量它註2

說它是,因為我們可以用兩種方式來測量質量,到目前為止,我們從未觀察到物體的重力質量和慣性質量之間的差異。

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這多麼令人匪夷所思。沒有真正的直觀原因有說明,兩種質量應該一樣。它們其中一個(慣性質量)是描述如何抵抗運動,另一個(重力質量)是描述有多想被重力拉動。

以我們現在的物理學架構來看,我們不知道為何如此。我們只是假設兩種質量是一樣的,而這個等效性假設,是愛因斯坦廣義相對論的核心。廣義相對論用非常不同的方式看待重力。它不是把重力視為:作用於附著在粒子和能量背後的任意「荷」,而是把重力描繪為質量和能量周圍時空的彎曲或扭曲。

所以,愛因斯坦的理論讓兩種質量的聯繫更加自然,不過它還是沒有告訴我們「為什麼是這樣」。除了相對論之外,我們的粒子物理學理論把重力質量和慣性質量視為不同的概念,但實驗上我們看到,它們是一樣的。這非常強烈的表明,兩種質量有極深刻的聯結。

  • 註1:如果你真的試圖回答任何一個問題,代表你應該有好好閱讀這一章,但還是一頭霧水,對吧?這就是作者想要表達的感覺XD
  • 註2:這是牛頓的重力觀。往後,我們會學到廣義相對論的版本,在廣義相對論裡,重力不是作用力,把重力視為質量造成的時空扭曲會更加合理。

 

 

本文摘自《這世界難捉摸:霍金也想懂的95%未知宇宙》,遠見天下文化出版。

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天下文化_96
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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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暗能量是什麼?看不到也摸不著,我們該如何找到它?
PanSci_96
・2023/11/27 ・5683字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎?

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知,也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時,我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型,可能並不完全正確。

正確來說,我們發現我們過去對宇宙的理解,可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質,可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠,而是他們可能就在附近,而我們卻全然不了解它。

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其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」,到底是什麼來頭?我們能徹底了解它,同時能為我們宇宙的存在,提供一個正確的解釋模型嗎?又或者我們能掌握它,來改變宇宙的未來嗎?

暗能量(dark energy)到底是什麼?這聽起來有夠中二的名字,難道是暗影大人的新能力嗎?

其實暗能量的「暗」,指的是我們看不到也摸不到,用上各種波段的電磁波都察覺不到,甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態,所以稱為暗能量。也就是說,如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」,當巨大的能量朝你襲來,不用擔心,站在原地就好,因為它只會穿過你的身體,打不中你的。同樣的,你可能聽過的「暗物質」,指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說,暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質,任何我們現在還無法探測到的,都可能是暗物質的其中一種。題外話,近年某些暗物質面紗底下的容貌,已經逐漸能被我們窺見,例如微中子。這部分,之後我們介紹暗物質的節目中,再來好好討論,今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了,既然我們摸不到,也看不到,我們怎麼知道暗能量存在,還是僅存在我們的中二想像中呢?我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人,他不是別人,就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

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1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論,解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為,宇宙應該是靜態的,但是若宇宙中只有物質,宇宙應該會受重力吸引而塌縮,因此需要與反向的能量來平衡重力,這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型,而直到非常近期的 1998 年,暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可.特納提出。

在愛因斯坦之後,著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法,他認為宇宙不一定是平衡的,也可能正在收縮或膨脹當中,並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式,關於 Fridemann 方程式的故事,先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測,同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系,並無法代表整個宇宙,原來夜空中很多像星雲的天體,其實是遙遠的星系!宇宙遠比以前認為得大的太多了!1929 年,哈伯進一步發現,這些星系竟然正在遠離我們而去,而且距離我們愈遠的星系,遠離的速度就愈快!宇宙竟然真的是以地球為中心,而地球利用強大的排斥力,將其他星系用力向外推開嗎?當然不是,想像一下,宇宙就像一個葡萄乾麵包,上面布滿的葡萄乾就是各種天體,當麵包發酵膨脹時,不論站在哪顆葡萄乾的視角,所有天體的距離都是互相拉遠,而且距離愈遠的天體,彼此遠離的速度就愈快。

也就是說,哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題,就是這個宇宙的膨脹速度,是隨著時間經過越來越快的加速膨脹,還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢?為什麼這個問題很重要?因為如果是減速膨脹,靠現有的重力理論就可以解釋,宇宙中天體所提供的重力,正在使宇宙減速膨脹,甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹,那麼只考慮重力就不夠了,為了抵抗向內塌縮的重力,勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時,就需要加入暗能量的存在了。

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宇宙真的正在加速膨脹?

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹,好推算暗能量是否存在,科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步,天文學家可以透過不同方式,觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光,需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球,由於我們看到的影像是從星球出發後,經過 1 億年後才到達地球,因此在望遠鏡中看到的,其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點,如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處,就能看到更早期的宇宙樣貌,幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法,分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸,它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期,吸收大量鄰近伴星的氣體,使得內部重力超過某個極限,引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量,亮度甚至可以媲美整個星系,因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是,因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同,可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點,又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小,只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

Ia 超新星殘骸。圖/wikimedia

接著,透過光譜分析,我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候,警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化,同樣的道理放在電磁波上,當超新星遠離我們,電磁波頻譜的頻率會下降,我們稱為頻譜「紅移」。最後,只要我們同時觀測好幾顆超新星,並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度,看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快,就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

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第二種方法是觀測宇宙大尺度結構,宇宙中星系的分佈其實是不均勻的,有些地方有星系團,也有一些地方是孔洞,整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時,向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡,就像我們在擠壓彈力球一樣,向內壓時內部壓力會增強,導致物質向外拋射,壓力減弱後又會停止拋射,這樣來回震盪的過程,就在宇宙中形成一個個震波漣漪,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。有趣的是,當好幾個地方都在震盪,就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中,波腹部份聚集較多物質就會形成星系團,波節部份不足以形成星系就形成孔洞,是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯,而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢?不過即使是連一粒胡椒都不如的我們,透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算,人類科學家還是可以得知這些結構的大小,並且推知這些結構上的星系距離我們多遠,最後再搭配紅移光譜,一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空,11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡,它的其中一項任務,就是專門觀測重子聲學振盪,來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知,關於這一部分,我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射,它是宇宙的第一道曙光,在此以前,宇宙能量很高,光和電漿相互作用,不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時,宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合,宇宙終於變得乾淨了,光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面,至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球,被我們觀測到,稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是,根據這些照片,我們能發現早在 137 億年前,宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布,科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現,目前的已知物質,也就是元素週期表上看得到的原子,只佔所有能量的 4.93%,而看不到的暗物質,佔 27.17%,那還有 67.9%,將近七成的組成分是什麼?科學家認為就是暗能量。

宇宙微波背景輻射。圖/wikimedia

哇!暗能量佔的比例這麼高?那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎?先不要想的這麼美,其實暗能量在宇宙中的密度很低,依照質能等價公式,質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克,相比之下,水的密度是立方公分 1 公克!真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大,是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中,不像一般的物質,只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在,而且量也不少,但回到最關鍵問題,這些暗能量到底是怎麼來的呢?

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宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」,根據量子力學,我們過往認為的真空,其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄,但各位看完我們的影片並按下訂閱之後,這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了,就拜託大家再多動一下手指吧!

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外,這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞!關於真空能量與時空旅行的關係,可以參考我們的這一集哦(閃電俠)。

為了重新認識我們的宇宙,科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式,建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型-ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時,最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像,也都基於此模型。

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ΛCDM模型,加速擴張的宇宙。圖/wikimedia

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ,應該要與位置、時間無關,是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣,要如何解釋這個觀測差異?第二個問題是,假設暗能量是真空中的量子漲落所造成,依此推算出的宇宙常數數值,還跟觀測差了 120 個數量級!也就是 10 後面有 120 個零,整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已!

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量,而是由一種未知的粒子場所驅動,而這個場與時間有關,導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在,宇宙會膨脹,是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的!就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用,到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現!另一派科學家也認為沒有暗能量,我們會看到加速膨脹,只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中,也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多,口感比較鬆的地方,由於這個地方總體重力比較小,天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快,但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹,宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題,但沒有一個能解釋所有觀測數據,而且由於觀測的限制,這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說,暗能量的效應確實存在,但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問,研究暗物質對我們真的那麼重要嗎?其實,它不只影響了宇宙過去演化的歷史,也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹,物質的密度會因為膨脹被稀釋,但如果暗能量是常數,就代表密度不會改變,因此宇宙會膨脹的愈來愈快,導致遙遠的星系加速離我們遠去,最後暗能量會超過所有的基本作用力,包括重力、電磁力和核力,星系、太陽系、地球都將被拉開,甚至中子和質子都互相分離,使原子不復存在,進入大撕裂時期,也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情,在那之前地球會先被死去的太陽吞沒,我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

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最後總結一下,暗能量到底是什麼?很抱歉,經過了幾十年的努力,這個問題依舊是一個問號,但藉由宇宙學的研究,使我們更謙卑更加發覺自身的渺小,我們或許已經掌握許多物質運作的原理,也開發出許多高科技產品,但這些只是整個宇宙的 5% 仔,宇宙中還有許多未知等待我們去探索,而它深深關係到我們的過去和未來。

最後也想問問大家,你覺得當一切真相大白之時,我們會發現暗能量是什麼呢?

  1. 符合最直覺的 ΛCDM 理論,它就是宇宙加速膨脹的元凶!
  2. 它根本不存在,我們甚至需要比廣義相對論更強的理論來解釋!
  3. 依照人類這個物種的感知等級,可能永遠無法了解暗能量的真相!
  4. 我、我已經無法抑制我左手的暗能量了!啊啊啊~

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參考資料

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希格斯玻色子發現十週年
PanSci_96
・2023/03/27 ・7603字 ・閱讀時間約 15 分鐘

作者︱黎偉健

2012 年 7 月 4 日,位於歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron  Collider(LHC))的 ATLAS 和 CMS 實驗團隊宣佈了希格斯玻色子的發現,轟動了整個物理學界。提出希格斯玻色子的希格斯(P. Higgs)、恩格勒(F. Englert)和布勞特(R. Brout)迅速在翌年獲頒諾貝爾物理學獎。

在粒子物理的標準模型裡,希格斯玻色子關係到基本粒子質量的來源,具有重大意義。此外,由於希格斯玻色子很可能與一些未知的物理有關,以後對該粒子的進一步研究很可能有助解開現今物理學的一些謎團。藉著希格斯玻色子發現十週年,讓我們回顧一下希格斯玻色子的研究在過去十年的進展,並前瞻未來對它的更深入探測與其蘊含的意義。

粒子物理標準模型

現代物理學的一項輝煌成就,是認識到物質皆由基本粒子(elementary particle)組成,而一切已知的物理現象可歸結為基本粒子之間基本交互作用(fundamental interaction)的結果。例如水,它由水分子組成,而水分子由氫原子和氧原子組成;原子則由電子和原子核組成,而原子核由質子和中子組成;質子和中子則由夸克組成。

從此可見,電子和夸克組成了我們日常接觸到的所有物質。它們是「基本」粒子,因為至今物理學家並未發現到它們有內在結構。基於夸克之間存在強交互作用,夸克能組成質子和中子,質子和中子能組成原子核;基於電子和夸克之間存在電磁交互作用,電子和原子核能組成原子,原子能組成分子。

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基本交互作用有四種:重力交互作用(gravitational interaction)、電磁交互作用(electromagnetic  interaction)、強交互作用(strong interaction)和弱交互作用(weak interaction)。重力交互作用即萬有引力,它主宰著如星體的形成及運行等天文尺度的物理現象,由廣義相對論描述【註 1】;電磁交互作用、強交互作用和弱交互作用主宰著微觀世界的物理現象,由粒子物理的標準模型(Standard Model)描述。

圖一:標準模型中的基本粒子。

圖一列出了標準模型中的基本粒子,它們分為三類:費米子(fermion)、規範玻色子(gauge boson)和希格斯玻色子(Higgs boson)。費米子分為兩種:夸克(quark)和輕子(lepton),有三個世代(圖一中左邊的首三列)。第一世代的費米子為最常見,上夸克、下夸克和電子組成了原子,從而組成了我們日常接觸到的物質。規範玻色子是傳遞基本交互作用的粒子,其中光子傳遞電磁交互作用,W Z 玻色子傳遞弱交互作用,膠子傳遞強交互作用。希格斯玻色子是希格斯場(Higgs field)的激發。希格斯場與其他粒子的交互作用使得這些粒子具有質量,而希格斯玻色子會與帶有質量的基本粒子發生直接交互作用。

圖二:基本粒子的交互作用。

圖二顯示了標準模型中基本粒子的直接交互作用情況,其中藍線兩端的粒子會發生直接交互作用。例如光子(γ)和電子(e),它們之間有一藍線連接,即具有直接交互作用。粒子之間的交互作用可以形像地用費曼圖(Feynman diagram)表示。例如電子和電子之間的靜電排斥現象,可看作散射過程 eeee,其費曼圖如圖三,其中縱向代表空間,横向代表時間,時間流逝方向從左到右,左端為初態,右端為終態,實綫代表電子,波浪綫代表光子,而綫的交點(稱為頂點(vertex),圖中有兩個)代表電子和光子之間的直接交互作用。直接交互作用顯示為一頂點,即交互作用發生在某時空點上。

圖三:以費曼圖表示電子之間的靜電排斥現象。

根據圖三的圖像,我們可以把電子和電子之間的遙距靜電排斥現象理解為一顆電子釋放出一顆光子,然後該顆光子被另一顆電子吸收,從中光子把能量和動量從一顆電子攜帶到另一顆電子,因此我們說光子傳遞電磁交互作用;這好比兩個籃球員在傳球,籃球員是電子,籃球是光子,而籃球員在拋球和接球時之所以感受到對籃球施了力,正是因為籃球傳遞了動量。

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從這角度看,世上並沒有遙距的力,一切基本交互作用都發生在某時空點上,即費曼圖中的頂點。這種交互作用的局域性(locality)是現代粒子物理學的特點,它是狹義相對論和量子力學結合——量子場論——的結果。類似地,圖二中的每條藍線都有對應的費曼圖頂點。

希格斯場與希格斯玻色子

根據量子場論,粒子是場的激發。這就是為什麼每顆電子都相同,因為它們都是同一個場——電子場——的激發。在量子場論中,真空被定義為能量最低的態。對於一般的場,它的值在真空中為零。例如,由於電磁場由光子組成,帶正能量,因此電磁場非零的態能量必定比電磁場為零的態高,所以真空中電磁場必為零。希格斯場則不同,它在真空中的值由一個勢能函數取極小值決定,該勢能函數對希格斯場 ϕ 的依賴形式如圖四中的紅線。

圖四:勢能函數 V(ϕ)對希格斯場 ϕ 的依賴形式,黑色粗體的區段是我們目前能觀測到的,紅線為標準模型的預言,藍線是某個其他模型的預言。(本圖出自參考文獻1)

從圖四可見,勢能在希格斯場為一非零值時取最小值,即希格斯場的真空期望值(vacuum expectation value(vev))為非零【註 2】。也就是說,真空中充滿著希格斯場,而任何粒子在任何地方任何時間原則上都有可能與其發生交互作用。

在標準模型裡,只有特定幾種粒子能與希格斯場發生交互作用。這些粒子包括夸克、帶電輕子(e, μ,τ)以及 W Z 玻色子。這些粒子因為與真空中的希格斯場發生交互作用,從而獲得質量。對於這些粒子,它們與希格斯場的耦合強度與它們自身的質量成正比。所謂的希格斯玻色子,其實就是希格斯場在其真空值背景上的激發。

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因此,只有帶質量的粒子才能與希格斯玻色子發生直接交互作用(如圖二中與希格斯玻色子有藍線連結的粒子),而這些粒子與希格斯玻色子的耦合強度也正比於他們自身的質量【註 3】。值得注意的是,希格斯玻色子能與自身發生直接交互作用(見圖二)。

基本粒子的質量直接影響著宇宙中物質存在的形式。例如,我們知道,上夸克比下夸克輕,而質子由兩顆上夸克和一顆下夸克組成,中子則由一顆上夸克和兩顆下夸克組成【註 4】,因此質子比中子輕,從而質子是穩定粒子,這使得氫原子的組成變成可能。如果下夸克比上夸克輕,那麼質子會衰變成中子,即氫原子不穩定,宇宙便不可以如已知的含大量氫。又例如,原子的大小與電子的質量成反比,而原子的能階與電子的質量成正比,因此電子的質量直接影響著物質的化學特性。再例如,太陽中心核反應的其中一環取決於弱交互作用,其發生的機率正比於 1/mw4,其中 mwW 玻色子的質量。可見,希格斯場作為基本粒子質量之源,對物質的存在形式扮演著決定性角色。 

希格斯玻色子於 2012 年在位於歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)中被發現,是標準模型中最後一顆被發現的基本粒子。

對希格斯玻色子的最新認識

我們對希格斯玻色子的認識源自大型強子對撞機(LHC)的實驗數據。在 LHC 中,兩束質子互相對撞,質子裡的夸克或膠子會發生散射,有可能從中產生希格斯玻色子。由於希格斯坡色子的壽命很短,只有约 10  -22 s 秒,被產生的希格斯玻色子在到達粒子探測器前已衰變成較穩定的粒子。

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圖五 a:LHC 中產生希格斯玻色子的典型過程費曼圖 (本圖出自參考文獻1)

圖五 a 顯示了一個 LHC 中產生希格斯玻色子的典型過程的費曼圖。該過程的初態是兩顆來自質子的膠子(gluon),這兩顆膠子互相碰撞,產生了一對正反頂夸克,而由於頂夸克質量很大,從而與希格斯玻色子的耦合也很大,因而很有可能產生一顆希格斯玻色子,而該顆希格斯玻色子稍後衰變成兩顆 Z 玻色子,而這兩顆 Z 玻色子又各自衰變成一對正反帶電輕子(e+eμ+μ),粒子探測器會探測到終態的四顆帶電輕子。

圖五 b:實驗中探測到的四顆帶電輕子的質心系總能量 m4l 分佈。(本圖出自參考文獻1)

圖五 b 顯示了實驗中探測到的四顆帶電輕子的質心系總能量 m4l 分佈。藍色的部分顯示了非希格斯玻色子產生過程的供獻,而紅色部分即為產生希格斯玻色子所致,其峰位於希格斯玻色子的質量(125 GeV)。 

當然,在 LHC 中,希格斯玻色子的產生和衰變不是只有如圖五 a 的過程,所有可能的產生和衰變過程的費曼圖如圖六。

圖六:希格斯玻色子在LHC實驗中的產生和衰變過程。 (本圖出自參考文獻 3)

在圖六中,(a)至(f)是產生一顆希格斯玻色子的過程,(g)至(j)是希格斯玻色子的衰變模式,(k)至 (o)是產生兩顆希格斯玻色子的過程。在這些圖中,粒子的記號如圖一,而 q 代表夸克,V 代表 W 或 Z,f 則代表質量非零的費米子,粒子 X 與希格斯玻色子的歸一化耦合強度記為 κX【註 5】(標準模型對應 κ=1)。值得注意的是,希格斯玻色子可以透過因量子漲落而產生的粒子迴圈與質量為零的膠子和光子發生間接交互作用(見圖六(a)、(i)和 (j))。產生過程(a)至(d)以及衰變過程(g)至(j)都已被實驗證實。我們可以從這些眾多的過程所獲得的數據推斷出粒子與希格斯玻色子的歸一化耦合強度 κ

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圖七 a:從實驗數據中得到的 κ 值,紅色直線代表標準模型的預測值。(本圖出自參考文獻2)

圖七 a 中的點顯示了從實驗數據中抽取出來的 κ 的值,紅色直線則表示了標準模型的預測。從圖可見,對於 W 玻色子、Z 玻色子、頂夸克(t)、底夸克 (b)和濤子(τ),它們與希格斯玻色子的耦合強度已被精確量度,並且其值與標準模型預測一致。 

圖七 b:κf和 κV的量度精確度,中間黃色菱形為標準模型的預測值,越靠近黃色菱形表示實驗數據越符合理論值。(本圖出自參考文獻3)

圖七 b 顯示了 κfκV 的量度精確度在過去十年內的改善。紅色的圈表示 2012 年剛發現希格斯玻色子時的數據,藍色表示至 2015 年的數據,而黑色表示至 2018 年的數據。從圖可見,耦合強度的精確度在過往十年被大幅改善,並且其值與標準模型預測(κ=1)一致。 

未來對希格斯玻色子的探測 

圖八:基本粒子與希格斯玻色子的耦合强度量度進度及未來展望。(本圖出自參考文獻1)

圖八總結了至今對不同基本粒子與希格斯玻色子的耦合強度的量度進度以及未來展望。正如以上所述,我們已確定 WZ 玻色子,以及第三世代費米子與希格斯玻色子的耦合強度與標準模型一致。對於第二世代費米子,由於它們比第三世代費米子輕很多,因此與希格斯玻色子的耦合強度也小很多,所需的數據也多很多。

對於緲子,我們預計在未來五至十年間能確定它與希格斯玻色子的耦合強度是否與標準模型一致。在將來 15 至 20 年間,在升級後的高亮度 LHC(HL-LHC)中,圖六中未被觀察到的過程都會被觀察到,如同時兩顆希格斯玻色子的產生。可是,這都不足以測量出希格斯玻色子的自耦合強度。要量度魅夸克與希格斯玻色子的耦合強度,或希格斯玻色子的自耦合強度,我們需要 LHC 以外的新一代對撞機。

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對於奇夸克和第一世代夸克,由於它們非常輕,現時並沒有確切方法探測它們與希格斯玻色子的耦合強度。未來的正反電子對撞機或有機會探測到電子和奇夸克與希格斯玻色子的耦合強度。對於上夸克和下夸克,我們可能需要對撞機以外的方法,如對原子物理的精確量度,但這都只處於討論階段。 

有助解開的物理學謎團

我們對希格斯玻色子的進一步認識很可能有助解開一些現今粒子物理學和宇宙學的謎團,這些未解問題可大概歸為以下五個主要問題:

1. 層級問題

在標準模型裡,弱交互作用比重力交互作用強 1032 倍。為何重力這麼弱?這問題稱為層級問題(hierarchy  problem)【註 6】。基於重力如此弱的事實,可以在理論上證明,如果在弱電尺度(~200 GeV)附近沒有標準模型以外的新物理的話,在未知的終極理論裡的基本參數須被準確微調至 32 個小數位。很多物理學家把這種基本參數的精確微調視為不自然,從而推斷在弱電尺度附近必定有新物理。

因此,林林總總的新物理理論被提出,如一派理論提出希格斯玻色子並非基本粒子,而是由更基本的粒子組成的複合粒子;另一派理論提出在高能量尺度下存在超對稱【註 7】;還有一派理論提出宇宙存在額外維度。希格斯玻色子的發現以及至今對它特性的量度,排除了很大部分這些新物理理論。現今的理論家提出新理論時需要更謹慎,使得新理論與有關於希格斯玻色子的實驗數據吻合。

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2. 正反物質不對稱

在我們身處的宇宙中,物質都由正物質組成。可是,根據量子場論,一切粒子皆有其對應的反粒子【註 8】,而反粒子可組成反物質。那麼,為什麼宇宙中的物質只有正物質,沒有反物質呢?從理論推斷所知,在宇宙初期的高溫情況下,正反物質數量大致相同。現在我們所見到的正物質,是在宇宙因膨脹而冷卻後,正反物質互相湮滅後剩餘的。也就是說,宇宙很早期的時候正反物質數量存在些微不對稱,導致現今宇宙中只有正物質。

正反物質不對稱的大小依賴於宇宙早期弱電相變的細節。相變現象在日常隨處可見,如水蒸氣遇冷時凝結成液態水,或天然磁鐵遇熱時喪失磁性。在宇宙初期,溫度極高,希格斯場得到連續激烈的激發,因而其值不會停留在勢能(圖四)的最低點,而是作大幅度擺動,導致其平均值(即統計期望值)為零。隨著宇宙膨脹,溫度下降,希格斯場的擺動減小,直到某臨界溫度以下時,希格斯場的期望值取勢能的最小值處。希格斯場的期望值從零變為非零,這是一個相變過程,稱為弱電相變(electroweak phase transition)。

在標準模型裡,希格斯勢能導致的弱電相變為一連續相變(即所謂的二階相變),其結果是所造成的正反物質數量不對稱太小,不足以解釋所觀察到的不對稱值。因此,物理學家提出了一些新理論,這些理論涉及到新粒子的引入,而這些新引入的粒子會與希格斯場發生交互作用,從而改變希格斯場的勢能形式(如圖四中的藍線),使弱電相變變得不連續(一階相變),這也順帶的改變了希格斯玻色子的自耦合強度。所以,未來實驗對希格斯玻色子的自耦合強度的量度將有助解開正反物質不對稱之謎。

3. 暗物質

我們從天文觀察中得知,宇宙中存在著大量暗物質,其總質量約為普通物質的五倍。可以肯定,暗物質並非由標準模型粒子組成。因此,很多新的粒子理論被提出,當中引入了新的粒子。一個很自然的問題是,既然希格斯場負責給予標準模型粒子質量,它會不會也負責給予暗物質粒子質量呢?如果真的是這樣,那麼這些新的粒子會以量子迴圈的方式改變希格斯玻色子的壽命和自耦合強度,或者希格斯玻色子會衰變成這些新粒子,而這些都有機會在未來被測量到。

4. 費米子質量問題

在標準模型裡,費米子分為三個世代,三個世代的質量截然不同:第二世代比第一世代重,而第三世代比第二世代重(見圖一)。標準模型並不能對此作解釋。為此,物理學家提出一些新理論,而在這些新理論中希格斯玻色子具有一些標準模型不允許的衰變模式,如 Hμ+τ。如果這些新的希格斯玻色子衰變模式存在的話,有可能在未來被實驗探測到。

此外,在標準模型裡,微中子沒有質量。可是,我們從近年的微中子振蕩實驗中得知,微中子具有微小質量。希格斯場有可能在賦予微中子質量上扮演重要各式。

5. 宇宙暴脹之源

我知道,希格斯場的真空期望值取決於它的勢能形式,這是希格斯場與其他場截然不同的特點。有趣的是,根據現時所知的希格斯玻色子質量,我們可以推斷現今的希格斯場真空期望值只是勢能的局部最小值(又稱為錯真空(false vacuum)),而不是全局最小值(即真真空(true vacuum))。也就是說,我們所處於的真空並非最低能量態,而且不穩定,有機會衰變成更低能的最低能量態。

可是,這個錯真空衰變的機率極小,導致錯真空的壽命遠長於宇宙年齡,即我們所在的真空處於一種亞穩定狀態。我們知道,在宇宙的極早期曾經發生過暴脹,即宇宙以指數式急速膨脹,而這導致了現今宇宙在大尺度下的平均性。我們很自然會問,是甚麼導致暴脹呢?理論上,類似於希格斯場的錯真空衰變現象很可能就是暴脹的原因。究竟希格斯場與宇宙早期的暴脹有關嗎?物理學家對此仍未有答案。

結語

希格斯玻色子的發現為粒子物理學研究展開了新一頁。在希格斯玻色子被發現後的十年裡,透過在對撞機實驗中對它的深入探測,我們對希格斯場和希格斯玻色子有了更豐富的認識。至今,一切有關希格斯玻色子的量度均與標準模型預測一致。我們可以肯定的說,正如標準模型所述,希格斯場的確賦予質量給W、Z玻色子以及第三世代費米子。這證明宇宙中存在第五種基本交互作用——希格斯交互作用。在未來的實驗裡,對希格斯玻色子的進一步探測將有助解開一些未解決的物理學謎團。

註釋

  1. 對於基本粒子,電磁交互作用的強度約為重力交互作用的 1030 至 1043 倍。因此,在粒子物理裡,重力交互作用可以完全被忽略。
  2. 希格斯場能具有非零真空期望值,關鍵在於它的自旋為零,從而非零真空期望值不會與勞侖茲不變性抵觸。希格斯場取非零真空期望值,是一種自發規範對稱破缺,這使得 W Z 既是傳遞交互作用的粒子,又帶有質量。這種賦予規範玻色子質量的機制稱為希格斯機制(Higgs mechanism),是弱電理論能成為一自恰理論的關鍵。
  3. 事實上,我們可以把希格斯玻色子與其他粒子的直接交互作用視為第五種基本交互作用,稱為希格斯交互作用,或湯川交互作用(Yukawa interaction)。
  4. 注意,質子和中子內除了夸克還有大量膠子,而質子和中子的質量絕大部分源於這些膠子的交互作用能,但這部分的貢獻在質子和中子裡是幾乎相等的。
  5. 歸一化耦合強度 κ 定義為耦合強度除以標準模型的耦合強度。因此,對於標準模型,歸一化耦合強度為 1。
  6. 關於層級問題是否一個合理的物理學問題,學術界仍存在爭論。
  7. 超對稱是一種理論上可能存在的時空對稱和內在對稱的混合,至今未被實驗發現。
  8. 反粒子與其對應的正粒子有相同質量和自旋,但帶相反的荷,如電荷。

參考文獻

  1. G. P. Salam, L. T. Wang, and G. Zanderighi, Nature 607 (2022) 7917, 41-47
  2. ATLAS Collaboration, Nature 607 (2022) 7917, 52-59 
  3. CMS Collaboration, Nature 607 (2022) 7917, 60-68
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