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CERN 宣布發現希格斯粒子 │ 科學史上的今天:07/04

Image creator : Lucas Taylor© 1997 CERN

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。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。