CERN 宣布發現希格斯粒子 │ 科學史上的今天：07/04

• 文／陳立欣

你知道亞洲第一次成功的核分裂實驗是在臺灣完成的嗎 ?

1934 年 7 月 25 日晚間，就在今天的臺灣大學二號館 101 室，舉行了一項令人興奮的偉大實驗。科學家用高壓直線型加速器使質子加速前進，撞擊鋰原子而得到了兩個 α 粒子！這是亞洲第一次，也是世界第二次成功分裂原子核的實驗。而進行這項實驗的科學家，就是時任臺北帝大物理學講座首任教授——荒勝文策（Bunsaku Arakatsu）。

醉心物理學研究，歐洲行開啟高能物理之路

荒勝文策出生於 1890 年 3 月 25 日，日本兵庫縣印南郡的一個小漁村。他從御影師範學校與東京高等師範學校畢業後，一度曾在佐賀縣擔任教職。後來在興趣的推動下，1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。1918 年他從京都帝國大學物理學系畢業，並旋即擔任該校講師。其後陸續擔任京都帝國大學物理學系助理教授、甲南高等學校教授、臺灣總督府高等農林學校教授。

從事教職之後，他還是對研究比較感興趣，後來因緣際會之下，他以臺灣總督府在外研究員的身分前往歐洲留學，正式開啟了他與高能物理學的淵源。

荒勝到了歐洲之後，曾經短暫留學於德國的柏林大學（今柏林洪堡大學），跟隨物理學巨擘阿爾伯特・愛因斯坦（Albert Einstein）作研究，當時也正是哥本哈根詮釋風靡全世界的時候。荒勝在自傳中表示，無論在物理或是思考面，都受到愛因斯坦相當大的影響，使得原本矢志攻讀理論物理學的他，轉而對原子核實驗產生了相當大的興趣。

因此，一年後他到瑞士蘇黎世聯邦理工學院師從保羅・謝樂（Paul Hermann Scherrer），並進行有關鋰原子中自由電子分布的研究。緊接著他到英國劍橋大學卡文迪西實驗室，師從約瑟夫．湯姆森（Sir Joseph John Thomson）、歐尼斯特・拉塞福（Ernest Rutherford）、詹姆士．查兌克（Sir James Chadwick）等人共二年半的時間。（編按：此三人正是中學物理課本中介紹近代物理中，對原子核構造發現有重大貢獻的三位物理學家。湯姆森以陰極射線實驗發現了電子、拉塞福以金箔實驗確立了原子核的存在、查兌克則發現了中子。）

他於 1928 年 8 月獲得京都帝國大學理學博士學位，而畢業論文的主題，就是運用愛因斯坦狹義相對理論裡的「質能互換公式」理論，撰寫出以原子釋出巨能的理論公式。他從事高能物理學研究之路，自此開啟。

臺灣首任物理學教授，完成亞洲首次核分裂實驗

1928 年 12 月，荒勝來到了臺灣總督府轄下的臺北帝國大學，擔任物理學講座的首任教授，並開設普通物理與原子論等相關課程，也是臺北帝國大學首次開設物理學相關課程。荒勝趁著在歐洲進修的機會，大肆採購了許多教學研究相關的圖書與器具，為臺北帝國大學的物理學發展帶來很大的幫助。

1932 年 4 月《自然》雜誌裏有一篇論文，描述英國劍橋大學卡文迪西實驗室怎樣用 Cockcroft-Walton 的加速器，製造快速質子，打入鋰（Lithium）原子核後引發核反應，產生一對 α 粒子來促成鋰蛻變。

在瞭解了這個過程內容後，荒勝就對助手木村毅一說：「這是個大變動之事，我們也來試看看吧！」

荒勝決定在臺北帝大二號館 101 室建造 Cockcroft-Walton 型加速器。當時臺灣設備簡陋資源不足，有許多問題需要克服。除了器材需要打造，實驗室裡面也沒有天然的放射線源，荒勝借鑑臺北帝國大學理農學部無機化學講座的研究，嘗試從北投石中提煉釙充當 α 線源。此外實驗中需要的重水，也自行設計器材提煉取得。

最後就是電力的問題，Cockcroft-Walton 型加速器需要穩定而充沛的直流電力，進行實驗電壓不足將無法擊碎原子核。幸虧當時臺北工業職業學校提供器材奧援，才解決了直流電的問題。在萬事皆須重頭準備的臺北帝大也能完成此一實驗，由此可見荒勝文策不屈的意志。

1934 年 7 月 25 日夜裡，荒勝成功完成人工撞擊原子核（Li（p, α）He）的實驗。該次實驗重現並證實了 的反應，並發現用高速「氘離子」撞擊「鋰」，也能使鋰同位素產生 的反應。

這次實驗在當時轟動整個日本的物理學界。這是日本史上第一個加速器（全世界第二座這一型的加速器），而這一次追試成功，距離《自然》雜誌刊登論文也只不過經過 2 年。

與原子彈無法迴避的淵源 二戰未能成功的 F 計畫

1941 年，荒勝成功使鈾原子與釷原子產生核分裂反應，這使得荒勝註定要在原子彈計畫的篇章中留下身影。二戰後期，大日本帝國海軍招集荒勝進行研究，成立了一個研發小組，成員也包含了湯川秀樹。

荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235，而不是世界上普及的熱擴散法。他的研究成果，也曾被美國研究原子彈的曼哈頓計劃作為數據計算參考。

荒勝文策曾自言：

我自小喜歡旋轉的東西，也許這是我選擇離心機的真正原因。我一輩子喜歡的研究，就是轉動體。

然而，由於當時日本政府內部的混亂以及資源的相對缺乏，致使日本核計畫未能如美國、英國與納粹德國一樣發展迅速。以至於在荒勝的 F 計畫先從日本遷到朝鮮，後因大戰結束也被迫中止了 F 計畫。

1945 年 8 月 6 日，美軍在廣島投下原子彈，驚人的爆炸力與毀滅性的災難，引起了日本學界的重視。日本陸軍動員了東京理化研究所的仁科芳雄前往觀察研究，而日本海軍則是委任京都帝國大學的荒勝文策，並組織「京都帝國大學原爆災害調查班」進行調查。

荒勝與仁科皆震驚於爆炸威力之強悍，且不斷進行爆炸的計算分析，兩人共同的結論就是「這應該就是原子彈」，經過計算荒勝精確指出爆炸時的高度與位置，並得出閃光時間約在五分之一秒和二分之一秒之間，其調查報告數據計算之精確，震驚世界。

可惜的是，雖然有著最頂尖的相關學識，卻因戰爭的局勢而不得不被迫放棄研究。

戰後，聯合國軍最高司令官總司令部（GHQ）於 1945 年 9 月 28 日下令禁止日本進行有關原子物理與航空學的研究，並拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器，將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收，該次拆除行動也引來了國際間的一陣撻伐。甚至引發了包含美國麻省理工學院在內的科學家們對美國陸軍的抗議，美國陸軍長官並因此引咎道歉，承認拆除行動的錯誤。

雖然在戰後無法持續相關的研究，荒勝文策仍影響了日本高能物理學的發展。無論是在京都大學發展的 Cockcroft-Walton 型加速器，或是發表在《自然》雜誌與木村和植村一同利用宇宙射線進行的研究。甚至是湯川秀樹，也在畢業後特地回母校旁聽其課程，並深受其影響。荒勝的努力為日本高能物理學在荒野中展開了道路，也讓原子能科學在日本持續發展。

在 1949 年湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎後，荒勝感嘆到道：

晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了（後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた）。

雖然是欣慰之語，或許也透露出這位奠基者心中仍有所遺憾。

角落也無法掩蓋裡的光芒，開創日本高能物理的荒野道路

鑽石即使擺放在角落，也會發出迷人的光芒。我想，用這句話來形容荒勝文策再適合也不過了。身處日本學術邊陲的臺北帝國大學開設理科講座，在講座成員只有 4 個人的情況下，在不到兩年的時間內就完成了 Cockcroft-Walton 型加速器的設置；甚至完成了全球第二次、亞洲第一次的核分裂實驗，真的非常的不容易。在人手不足、資源不足、連放射線源都沒有的狀態下，還能使用北投石完成實驗，荒勝的堅持態度也為科學研究鍥而不捨的精神立下標竿。

荒勝文策在臺北帝國大學物理科講座的原子核加速實驗，在物理史上的意義是多重的。對臺灣而言，這是臺灣的名字第一次在物理學學術論文期刊。而遺留在臺灣的加速器殘骸與相關器材，成為戰後臺灣成立物理系、發展核子物理實驗的契機。雖然荒勝藉著這次的實驗重返日本，就未再返回臺灣，但他對於臺灣高能物理學發展，仍舊猶如荒野中的第一道腳印，留下了不可磨滅的痕跡。

參考文獻

1. 鄭伯昆，〈台大核子物理實驗室 （四）有關的日本科學家〉，《物理雙月刊》，卅卷五期，2008 年 1 月，頁 574-580。
2. 松本巍著，蒯通林譯《臺北帝國大學沿革史》，頁 7-11。
3. 張幸真，〈臺灣知識社群的轉變——以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉，2003 年 7 月 31 日，頁 101。
4. 轉引木村毅一，〈廣島原爆後日譚〉，《神陵文庫》第五卷，1988 年 2 月 29 日，京都三高自昭會，頁 14。
5. 張幸真，〈臺灣知識社群的轉變－以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉，2003 年 7 月 31 日，頁 106。
6. Info，（阿文開講——F計畫〉，《臺灣物理學會雙月刊》，2016 年 9 月 7 號。

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質，兩者都是「非阿貝爾理論」 （non-Abeliantheories）。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心（參見【科學解釋 6】）的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你，如果隨便拿兩個數字 A 和 B，用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣，你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢；一個袋子裝兩塊錢，三個袋子總共還是六塊錢。

這件事對數字永遠都成立，是千真萬確的事實。然而，我們有個很好的方法能定義出一套數學架構，其中的 AB 不等於 BA。實際上，數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是，物理學家竟然也在許多地方應用這套數學，因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱，所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘，會得到另一個矩陣 C，方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人，卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣，還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭^＊。

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序（AB 或 BA）在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺，和先走十公尺再轉九十度，兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉，矩陣 A 代表直行，那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣（C = AB）；這和「直行後旋轉」的矩陣（D = BA）必定不會相同。C 不等於 D，所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同，我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾，這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時，矩陣被證實是他所需要的工具。實際上，電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它，這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍；所有原子的行為和元素周期表的規律，都與自旋有深刻的關聯。除此之外，這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係，這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多，為了研究我們要付出許多的時間和金錢，因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具，能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論，好比矩陣及反物質，看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神，我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前，先繞個路來講微中子，最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日，中國的大亞灣核反應爐微中子實驗（DayaBay Reactor Neutrino Experiment）發表了最新的研究成果。

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大，也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事，大可跳過這一段沒關係，下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了！

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。

對撞機能夠給出什麼答案？

物理學家想用大型強子對撞機來解答的重要問題，可以總結如下：在大型強子對撞機的能量級下，粒子物理的標準模型是否有效？「對撞機能量級」是個大大的躍進，因為其能量大小超越了電弱對稱破缺尺度；在這個尺度之上，兩種基本作用力相互統一，而 W 和 Z 玻色子、甚至所有其他基本粒子的質量，也許都是起源於此。

如果標準模型可以成功描述新能量範疇的現象，希格斯粒子應該就會存在，但看來不會有什麼其他的新發現；反之，如果標準模型失效，也許就沒有希格斯粒子了，不過背後一定會藏著稀奇古怪的事物。其實有個不易察覺的問題會左右這件事：我們究竟有多了解標準模型在此能量級下預測的現象？這並不容易回答。

一般而言我們並沒有能耐百分之百準確地解出標準模型。所有人都是用近似法。而絕大多數的近似方法之所以可行，是因為基本作用力的「耦合」，也就是強度，沒有很大。「耦合」就是在物理過程對應的費曼圖中，每個作用頂點帶有的值。（參見【科學解釋 8】）

微擾理論的應用

作用力的強度可以用一個數值來表示。如果說這個數值是 0.1，那麼兩個粒子交互作用的機率就會和 0.1 乘上 0.1，也就是 0.01 成正比。要是有三個粒子，機率就變成 0.1 的三次方，0.001，四個粒子的話就是 0.0001，如此這般。由此可知，如果耦合值很小，你就可以忽略比方說四個粒子以上的粒子交互作用―超過這個臨界值的項對於主要結果都只是極小的微擾罷了，因為前面至少會乘上 0.1 的五次方，也就是 0.00001。

可見更多粒子的反應項只會些微改變原本的結果而已。這就是「微擾理論」的例子，微擾理論廣泛運用於解決物理界和化學界中許多的問題。只要耦合值很小、也就是作用力很弱，這個理論就十分準確。

然而，這種近似法並不是永遠有效。微擾理論失效的地方大多涉及強核力、也就是量子色動力學。這就是為何大家要把這種作用力稱為強核力。我們不是故意要混淆視聽的，強核力的確和它的名字一樣難以應付。

舉例來說，在我們對撞質子，想一探其內部夸克及膠子的種類分布時，某些方面的資訊其實無法從先前所提的原則計算得到（參見 4.5 節）。除此之外，我們也無法算出夸克和膠子最後是如何結合成新的強子的。雖然大家手上有量子色動力學的限制條件，也有一些基本的能量守恆、及動量守恆定律，以及不少從其他地方得到的數據，卻無法用微擾理論。

原因在於強核力的耦合值非常接近一，不論幾次方都還是一。因此，不管你計算的對象是幾個粒子，得到的結果都不會收斂到某個可信的值。最終我們只好依據自己的經驗來猜測結果、或建立模型。而這樣的結論一直都有調整空間。

因此我們要嚴肅看待一個問題：大家在調整模型的時候，實際上可能會遮蔽了令人興奮的新物理。要避免這個問題，你得拿自己熟悉、以微擾理論計算的結果，連結上自己還不太明白、有調整空間的模型。我想像出一個比較毛骨悚然的情景來譬喻這件事――一具以精準預測架構的骨架，嵌在以最佳猜想組成的濕軟肉體內。

肉體的形狀可以改變。你可以重搥它的肚子，或捏它的臉頰（相對來說比較不痛）；但是它有兩隻手兩隻腳，如果你打斷了某根骨頭，自己一定會知道。

用既有的知識探索未知

無論如何，大家利用電腦程式來把可塑的模型、與不易動搖的微擾理論整合在一起，而且絕大部分的工作都已經完成了；這種程式就是蒙地卡羅事件產生器（Monte Carlo event generator）。程式不但能編譯大部分我們擁有的粒子對撞現象的相關知識，同時也是個珍貴的工具，能協助物理學家設計新的實驗，並釐清既有的實驗對不同模擬數據會如何反應與解讀。「蒙地卡羅」這個名字有其典故^＊，因為就和俄羅斯輪盤賭注一樣，這種事件產生器用上了很多隨機的數字。

這一切其實都牽涉到一點有趣的科學社會學。身為一位理論學家，有時你會因為投入某類蒙地卡羅事件產生器相關的研究而吃虧。你的一篇論文可能已經被引用了數千次，大家還是會說：「不過是電腦軟體罷了。」或是「這只是蒙地卡羅那類的玩意兒。」反之，要是你是發表一篇弦論的論文，又被引用這麼多次的話，你就能像個巨人般橫行全世界了。但說到底，弦論努力想預測的現象距離實證還是很遙遠，蒙地卡羅事件產生器卻可以實際解釋數據。

蒙地卡羅事件產生器雖然不是唯一的辦法，大致上仍是物理學家在理解標準模型的意義、與儘量試著利用模型精確預測現象時，所付出的一份心血。

雖然和大型強子對撞機的學界相比，蒙地卡羅事件產生器的研究社群規模較小，但相對來說，這個領域的成員盡的心力甚至不會比大家建造對撞機的付出還要少。美國物理學會也許是考量到了這一點，將 2011 年的櫻井獎（J.J. Sakurai Prize）頒給在這個領域工作的三位理論學家，分別是韋伯（Bryan Webber）、阿塔瑞利（Guido Altarelli）、斯舍斯特蘭（Torbjörn Sjöstrand）。頒獎典禮的引言如下：

因為三位物理學家的洞見，我們得以縝密驗證粒子物理的標準模型，實現高能物理實驗的目標、並從中學習量子色動力學、電弱交互作用、與可能的新物理的確切知識。

我很開心他們獲獎，因為其中兩位是我很親近的朋友，也更是因為三人所寫的計算方法及程式對大型強子對撞機幾乎所有的研究都十分重要，像是確保大家不會在不知情的情況下遮蔽任何新的物理。當前，我們正在嘗試確認希格斯粒子搜尋實驗的不定變數大小，並縮減其數量；人人都在尋找關鍵的三標準差證據、甚至是五標準差的大發現。為了這個目標，許多人夜以繼日持續比對新的數據和蒙地卡羅事件產生器的結果。

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。

2012 年的今天，全世界的物理學家與各國媒體都屏息以待，因為歐洲核子研究組織（CERN）即將舉行希格斯粒子的專題發表會與記者會。六月時即有耳語：大強子對撞機（Large Hadron Collider , 簡稱 LHC）真的撞出了不尋常的訊號，加上希格斯（Peter W. Higgs）本人與幾位創建相關理論的物理學家此次也都受邀出席，大家幾乎可以肯定有大事要發生了！

粒子物理的標準模型可說是迄今最成功的理論模型，無論是物質的組成或是作用力如何產生都可以用模型中的諸多基本粒子加以解釋。例如電磁力其實是彼此交換光子、強核力的媒介是膠子、弱核力則是 W玻色子及 Z玻色子，而這些粒子也都如理論所預測的在對撞實驗中一一找到。不過關於質量來源的問題卻還未解決。

希格斯等人在一九六○年代提出後來以他為名的「希格斯機制」，主張宇宙遍布著希格斯場，與希格斯場產生交互作用的粒子才因此「獲得」質量，就像在大海游泳會有阻力而看起來有質量。而希格斯粒子就是希格斯場的振動；問題是四十幾年來，物理學家始終沒有發現希格斯粒子的蹤跡，也就無法證實希格斯機制正確與否，成為標準模型的一大憾事。如果 CERN 真的找到希格斯粒子，就等於補齊了標準模型的最後一塊拼圖。

果不其然，LHC 中的兩種不同偵測方式都不約而同的發現了疑似希格斯粒子的蹤跡！其實他們並未看見希格斯粒子本身或是它的行跡，因為它極不穩定，乍生隨即衰變。而他們正是看到兩種希格斯粒子特有衰變途徑──衰變成兩個光子或是四個帶電荷輕子，而且質量在 125～126 GeV 之間也相當吻合。CERN 主任總結時用語謹慎：「我們已經觀察到一個新粒子，它符合我們要找的希格斯玻色子。」但大家都相信就是它了！因為搞錯的機率只有三百萬分之一。

第二天，這項重大發現佔據了全世界報紙的頭版版面，大部分媒體都以俗稱的「上帝粒子」作為標題，宛如揭開了上帝創世的秘密。2013 年 3 月 14 日，CERN 在進一步確認自旋、宇稱等量子性質後，正式宣告它就是希格斯玻色子。十月，諾貝爾獎委員會宣布希格斯與另一位理論建立者恩格勒（François Englert）共同獲得諾貝爾物理獎。

標準模型再次取得重大勝利，不過仍有許多問題有待解答，例如希格斯粒子在宇宙暴脹中扮演什麼角色？它與暗物質是否有交互作用？而且標準模型也還無法解釋重力，宇宙仍有太多的奧秘等待我們去探索。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。