歐洲 CERN 科學家發現「上帝的粒子」

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。

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 和 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 e^–e^–→e^–e^–，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。

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。

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。

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 和 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。

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/m_w⁴，其中 m_w 為 W 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。

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⁺e^– 或 μ⁺μ^–），粒子探測器會探測到終態的四顆帶電輕子。

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 m_4l 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。

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 κ_X【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。

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 顯示了 κ_f 和 κ_V 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 W、Z 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。

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。

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 H→μ⁺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 和 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

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。

1930年，物理學家包立為了解決貝他衰變裡能量不守恆的問題，假想一種觀測不到的新粒子；這個想法引起了理論物理學家費米的興趣……

本系列上一篇：捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子（一）

費米的理論：可以憑空創造或消滅的微中子

費米採納當時一些人的猜測，假設原子核由質子和（不久前才剛發現的）中子組成；至於貝他衰變裡的電子、和包立假想的微中子，原本並不存在於原子核內，而是在中子轉換成質子的過程中連帶產生；換言之，貝他衰變牽涉到如下反應：

中子 → 質子＋電子＋（反）微中子[1]

費米參照帶電粒子能夠放出光子的現象，讓理論描述的粒子可以憑空創造或消滅！這在當時是很突破性的概念，也難怪《自然》的編輯認為論文充滿臆測而駁回投稿。

理論上什麼都穿得透！微中子真的有辦法觀測嗎？

儘管包立的提案和費米的理論看似可以完美解釋貝他衰變帶來的問題，但只要微中子沒有被觀測到，一切都是空中閣樓，事情等於沒有解決。科學家開始思考，有沒有可能用實驗證明微中子的存在。

1934 年，貝特[2]和佩爾斯[3]估算了偵測微中子的可能性。相較於阿爾法粒子（氦原子核）單用一張紙就能擋下，貝他粒子（電子）要用幾公釐厚的鋁片才能遮蔽，伽馬射線甚至需要用到一公分厚的鉛、或六公分厚的混凝土，才能降低約 50% 的強度；兩人卻發現微中子足以在一般性的固體內行進十的十六次方公里（10¹⁶km）[4]，約莫海王星到太陽距離的 220 萬倍，即一千光年！這麼強的穿透力，顯然沒有任何實驗儀器能夠捕捉。

貝特和佩爾斯於是下了結論：沒有任何實際可行的辦法觀測到微中子！

微中子觀測計畫：以買樂透的精神進行！

正所謂辦法是人想出來的，就算微中子幾乎可以毫無阻礙穿越任何物體，但只要有夠多的微中子，總還是有機會看到微中子跟其他物質發生反應──就像大樂透雖然很難中獎，但只要多買幾張，或多或少還是會中。

1951 年，曾在曼哈頓計畫、費曼[5]的小組裡工作的萊因斯[6]，找了洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的同事科溫[7]一起進行微中子觀測計畫。起初，他們想在距離核子試爆點僅四十公尺的地方，向下挖掘深井放置探測器，利用試爆產生的大量微中子來提高偵測機率。但是，考慮到爆炸只有短短一兩秒，一旦失敗就得重新等待機會；來自中子和伽馬射線的背景雜訊又相當高，反而增加收集數據的難度。

兩人最後決定改在核子反應爐附近進行研究：微中子的數目雖然比核爆少很多，但來源持續穩定──估計每小時只能偵測到數個微中子反應事例，但只要等上幾個月、累積多一點數據，也足夠了。

利用核電廠尋找微中子

1955 年底，萊因斯和科溫在南卡羅萊納州薩凡納河區（Savannah River Site）的核子反應爐附近設置了實驗儀器。他們將氯化鎘（CdCl₂）溶解於 1400 公升的水裡，在此處理論上每平方公分的水面面積大約每秒就有十兆（十萬億，或10¹³）個反微中子通過。而如果有反微中子經過，水裡的質子和反微中子作用後，會產生正電子和中子（逆貝他衰變）：

反微中子＋質子 → 正電子＋中子

正電子會馬上跟水裡的電子湮滅，放出兩個伽馬射線光子；而中子在接下來百萬分之幾秒內就會被鎘原子核捕獲，也產生伽馬射線。於是，實驗探測器如果在很短的時間內連續看到兩道不同的閃光訊號──就表示觀測到（反）微中子了。

包立，你賭輸了！

1956 年，萊因斯和科溫在做完所有驗證之後，發了電報給正在歐洲核子研究組織（CERN）開會的包立，告知微中子的發現。包立看了電報，立刻打斷會議、興奮地向其他人宣讀電報內容並發表感言。不僅如此，因為包立曾跟天文學家巴德[8]打賭，人類永遠偵測不到微中子──這下他只能願賭服輸，買了一箱香檳送給巴德。

三十九年後，萊因斯因為微中子的發現，獲頒諾貝爾物理學獎；科溫則因為英年早逝，無緣參與這別具意義的一刻。隨著微中子被證實，貝他衰變帶來的懸念總算可以放下──如果事情這麼發展就太無趣了。

第二種微中子

1962 年，萊德曼[9]、施瓦茨[10]、施泰因貝格爾[11]等人從美國布魯克赫文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的粒子加速器，利用 π介子衰變產出微中子束，並確認其與 1956 年發現的微中子有別：貝他衰變裡的微中子，總是伴隨著正負電子；而萊德曼等人發現的微中子，卻是在另一種粒子──緲子相關反應中出現；所以後來兩者分別被稱為電子微中子和緲子微中子。

因為萊德曼、施瓦茨、施泰因貝格爾產製微中子束的方法，能夠幫助科學家更好地研究微中子牽涉到的弱交互作用；也因為他們發現新的微中子，讓後人更加瞭解兩種不同微中子和電子╱緲子的配對關係；三人於 1988 年獲頒諾貝爾物理學獎。

比緲子更重的新粒子

自從緲子在 1930 年代被發現之後，人們花了數十年的時間才逐漸了解，緲子的性質和電子非常接近（只是質量較大）──它們跟兩種微中子後來都被歸類為「輕子」（Lepton）。於是有人猜測，會不會有比緲子更重的輕子呢？

1971 年，台灣出生的美國籍科學家、史丹福大學教授蔡永賜（Yung-su Tsai）發表論文，探討更重的輕子在實驗中可能引發的效應──這導致了接下來 1974 到 1977 年的一系列實驗，以及濤子（Tau）的發現。濤子的發現者佩爾[12]因此和發現微中子的萊因斯共享了 1995 年的諾貝爾物理學獎。

既然電子和緲子都有相應的微中子，濤子應該也不例外──大部分人都是這麼深信的。但是過了許久，直到 2000 年，濤子微中子才正式被發現。

粒子物理標準模型

依照現在的粒子物理標準模型，輕子包含三個家族，分別由帶電的電子、緲子、濤子三者，和相應的（電中性）微中子組成。因為有很強的證據顯示，微中子的質量就算不為零，也必定極小，所以標準模型直接把微中子質量定為零，也沒有微中子的質量來源機制。

故事到此結束了嗎？至少看起來功德圓滿：和電子、緲子、濤子相應的微中子都發現了，不多不少；它們在標準模型的理論架構裡都有適當的位置，而且標準模型運作得非常成功。怎知，很快地，微中子又將帶給物理學界大震撼，標準模型也面臨結構調整。那是下一個故事了。

註釋

• [1] 費米原本把貝他衰變產生的微小電中性粒子定為微中子，但後來的理論發展將其定義為「反微中子」。
• [2] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特（Hans Albrecht Bethe，1906年7月2日－2005年3月6日），德國和美國猶太裔核物理學家，1967年諾貝爾物理學獎得主。
• [3] 魯道夫‧恩斯特‧佩爾斯（Rudolf Ernst Peierls，1907年6月5日－1995年9月19日）德裔英籍物理學家。
• [4] 這個數字跟現代的估算相差不遠。
• [5] 理察‧菲利普斯‧費曼（Richard Philips Feynman，1918年5月11日－1988年2月15日），美國理論物理學家，因對量子電動力學的貢獻，於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
• [6] 弗雷德里克‧萊因斯（Frederick Reines，1918年3月16日－1998年8月26日），美國物理學家。
• [7] 小克萊德‧洛蘭‧科溫（Clyde Lorrain Cowan Jr，1919年12月6日－1974年5月24日），美國物理學家。
• [8] 威廉‧海因里希‧沃爾特‧巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade，1893年3月24日－1960年6月25日），德國天文學家，創造了超新星（supernova）一詞，並推測中子星的存在。
• [9] 利昂‧馬克斯‧萊德曼（Leon Max Lederman，1922年7月15日－2018年10月3日），美國物理學家。
• [10] 梅爾文‧施瓦茨（Melvin Schwartz，1932年11月2日－2006年8月28日），美國物理學家
• [11] 傑克‧施泰因貝格爾（Jack Steinberger，1921年5月25日－），德裔美籍兼瑞士籍物理學家。
• [12] 馬丁‧路易斯‧佩爾（Martin Lewis Perl，1927年6月24日－2014年9月30日），美國物理學家。

參考資料

1. Chad Orzel (2019/04/25), “Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments“, Forbes.
2. S.M. Bilenkya (2013), “Neutrino. History of a unique particle”, Eur. Phys. J. H 38, 345–404.
3. Los Alamos Science Number 25 1997.
4. Herbert Pietschmann (2005), “Neutrino – Past, Present and Future”, George Marx Memorial Lecture, Univ. Budapest, May 19, 2005.