尋找小尺度粒子為什麼需要對撞機?跟核融合又有什麼關係?──《科學月刊》

  • 文/章文箴,中研院物理所研究員。

物理的發展中,從過去於自然界中的觀測,到今日利用強大能量的對撞機,尋找尺度更小的粒子一直是物理學家的目標。但粒子到底是如何被製造的呢?本文將解開粒子對撞機製造新粒子的機制。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物,例如渺子、正電子等;而質量較大的粒子,由於它們容易衰變,生命期短,因此不易觀測。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物。圖/Pixabay

隨著加速器的發明和使用,後續大多利用加速器產生高能量的質子束或電子束。在碰撞的過程中,能量足夠的情況下,透過特定反應產生並觀察新粒子。

質量是基本粒子的特性,也是辨認它們最重要的實驗證據,利用加速器所產生撞擊事件產生新粒子,碰撞過程的質心系能量 (center of mass energy) 必須大於新粒子的質量,才能透過質能互換,產出生成全新粒子。

因此,在找尋質量更大新粒子的過程中,加速器的能量必須不斷地提升,也由從撞擊固定靶的實驗,轉換成對撞機實驗,達到足夠的質心系能量。

J/Ψ粒子的發現

以 1974 年所發現的 J/Ψ 粒子為例,其質量大約 3 GeV∕c2,由魅夸克 (Charm quark) 和反魅夸克所構成,因為魅夸克的質量遠高於當時已知的上夸克 (up quark)、下夸克 (down quark) 及奇夸克 (strange quark),受限於加速器能量的提升,在搜尋上拖延了一段時間,甚至讓物理學家猜測是否夸克只有以上的三種。

後續由丁肇中先生所領導的團隊,利用當時美國紐約州布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory, BNL) 剛完成全世界最高能量的加速器──交變梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS) ,將質子束加速到 30 GeV,與固定鈹靶撞擊,此撞擊質心系能量大約為 7.75 GeV,因此得以產生並觀測到質量大約 3.1 GeV∕c的 J/Ψ粒子。

而同一時間,美國加州 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory),透過正負電子湮滅反應,由能量直接生成新粒子,找尋 2.6~8 GeV∕c區間的新粒子,也同樣在 3.1 GeV∕c處發現 J/Ψ 粒子。兩團隊在 1974 年 11 月同步宣布發現,確認第四種夸克的發現,這項科學重要里程碑,在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。

1974 獲得諾貝爾物理學獎的兩人,左為 Sir Martin Ryle,右為Antony Hewish。圖/The Nobel Prize

澄清聳動新聞報導中的兩個專有名詞

在最近國內一則新聞報導提及,有研究人員在重氫與重氫核融合的過程中,宣稱觀察到 W 中間子的生成,並可透過此過程取得穩定能量。

筆者認為在該報導中有兩點需要進一步被澄清:W中間子觀測核融合技術

W 中間子的觀測

核反應後原子核中不穩定的中子可透過弱交互作用力,轉換成質子成為穩定核結構,稱之為 β 衰變(下圖)。而 W 中間子正是弱交互作用力的交換粒子,但此處的 W 中間子在理論架構中只是一個虛粒子 (virtual particle),代表動態量子場中能量和動量的傳遞,該處的質量是變動的而非定值,因此 β 衰變的發生,並不能視為實際發現弱交互作用力中 W 中間子的證據。

β 衰變示意圖:透過弱交互作用,中子衰變為質子,而 W 中間子為弱交互作用力的交換粒子,釋放出一個電子及一個反電子微中子。

科學界對於 W 中間子的發現與確認,是源於歐洲核子研究組織 (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN) 實驗室於 1983 年,在 400 GeV 質子和 400 GeV 反質子對撞後,所產生質心系能量可高達 800 GeV 反應中,觀察到質量大約 80 GeV/c的W玻色子,該研究成果在 1984 年贏得諾貝爾物理學獎,從此 W 粒子的質量測定成為高能物理實驗的量測準確的檢驗方法之一。

人類一直在追尋的技術:核融合

關於核融合反應,事實上是與日常生活息息相關。

在太陽內部,每一秒有 60 億公噸的氫核透過連續核融合反應轉換成氦核,其中的質量虧損轉換成能量形式放出,提供地球上的生物與人類生活上不可或缺的光和熱。

而太陽內部的核融合反應能夠發生,歸功太陽內部強大的重力場,讓原子核能克服核子間的庫倫斥力,彼此靠近到約 10-15 公尺的距離,讓短距離的核力得以作用。

太陽內部的質子—質子鏈反應:首先由兩個氫原子核融合為氘,一個質子釋放出一個正電子和一個微中子成為中子,氘再和另一個氫原子合成氦同位素氦-3,最後再與另一氦-3形成氦同位素氦-4。

人類為了尋求穩定能量的來源,人造的核融合反應已研究超過 60 年,但是在技術層次上仍面臨重大困難。

過去曾嘗試利用加速器或電漿加熱方式,試圖克服核子間的庫倫斥力,以產生核融合反應,但是整個過程中所投入的能量,卻大於核融合反應後所釋放出的能量,無法達到能量的損益平衡,毫無商業運轉的價值。

目前位於法國的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 計畫正集合來自全球各地 35 國之力,期望能在 2035 年底前突破此挑戰,讓人造核融合反應成為人類穩定能量的來源。

科學技術的源自於長期累積

科學和相關技術的進展需要長時間、大量人力與物力投入,透過嚴謹討論辯證、量化的測定、可重複的結果逐步累積,絕非一蹴可幾,也因此得以帶來對人類深遠的影響。

筆者期待藉此文提供讀者一些科學基本的知識得以用來判斷相關新聞報導的真假,更期盼臺灣社會大眾,能夠有正確眼光和態度,支持科學長期的發展,多充實科學基本知識,避免只感興趣於聳動性的新聞報導。


〈本文選自《科學月刊》2019 年 10 月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。


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