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該死的上帝粒子

Gene Ng_96
・2013/09/09 ・3240字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

在官方要求我們講禮貌的時代,〈該死的上帝粒子〉這個看似非常的無禮的標題相當的冒昧,不過是有典故的。

美國物理學家、1988年諾貝爾物理學獎得主利昂·萊德曼(Leon M. Lederman)出版了一本科普書《上帝粒子:如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?》(The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question),後來媒體也沿用了這一稱呼,常常將希格斯波色子稱作是「上帝粒子」(The God Particle)。這一稱呼激起了主流媒體對於希格斯波色子的關注和興趣。《紐約時報》(The New York Times)還精心製作了兩個特輯:Chasing the Higgs BosonHiggs Boson

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萊德曼表示,當初他稱呼希格斯波色子為「上帝粒子」是因為這粒子「在當今物理學中處於極 為中心的位置,對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉 摸」。不過他也開玩笑地補充說另一個原因是「出版社不讓他把這粒子稱作『該死的粒子』(Goddamn Particle),儘管這別稱可能更恰當地表達了希格斯波色子杳無蹤跡的性質以及人們為之所付出的代價與遭受到的挫折感。」然而,許多科學家卻不喜歡這 一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。

既然始作蛹者原本有想過把希格斯波色子稱作「該死的粒子」,後來卻以「上帝粒子」成名,我想乾脆把希格斯波色子稱作「該死的上帝粒子」,更兩全其美吧XD

泛科學也將在9月26日和旅行社出一團「大型強子對撞機探訪團」 參觀日內瓦郊區的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)。歐洲核子研究組織(CERN)將在9月會舉辦兩天 的「Open Days」。

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從2013年2月 起,LHC進入了長達兩年的停機期,在這段期間會進行設備的升級與維護,為了提升到更大的碰撞能量而做準備。為了這個探訪團,泛科學計劃舉辦三場小型演 講,第一場由台大陳凱風老師主講,第二場是明天(9/10)的「微型點子對撞機(M.I.C. XIV):驚現」

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在聽了陳老師深入淺出的精彩演講後,讓我好奇讀了這本這本《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’)。還好聽過了陳老師的演講,還有維基中文百科〈希格斯玻色子〉寫得很好的介紹,在讀這本《上帝的粒子》時,才比較快進入狀況。

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在粒子物理學的標準模型(Standard Model)預言的61種基本粒子中,希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。希格斯玻色子是因英國物理學家彼得·希格斯(Peter W. Higgs,1929-)而命名,是一種具有質量的玻色子,沒有自旋,不帶電荷,非常不穩定,在生成後會立刻衰變。

標準模型的希格斯機制(Higgs mechanism)解釋了,為什麼有些基本粒子具有質量,而有些基本粒子的質量為零?根據希格斯機制,有些基本粒子因為與遍佈於宇宙的希格斯場彼此交互作用而獲得質量,但同時也會出現副產品希格斯玻色子。

2012年7月4日,CERN宣布,LHC的緊湊渺子線圈(CMS)探測到質量為125.3 ± 0.6 GeV的新玻色子(超過背景期望值4.9個標準差),超環面儀器(ATLAS)測量到質量為126.5 GeV的新玻色子(超過背景期望值5個標準差),這兩種粒子極像希格斯玻色子。7月31日,CMS和ALTAS又分別提交新的偵測結果,將這種玻色子的質 量確定為CMS的125.3 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.5、統計顯著性:5.8個標準差)和ALTAS的126.0 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.4、統計顯著性:5.9個標準差)。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織發佈新聞稿,正式宣布先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。這希格斯玻色子是希格斯機制的必然後果,是物理學 者長久以來尋覓的對象。希格斯玻色子的發現,對物理學家來說重大意義。首先,此發現揭開粒子質量起源之謎,其它粒子在希格斯場中運行時便獲得了質量;二 來,完善了當代粒子物理學基石的標準模型,它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預言的粒子此前都已經被找到了,希格斯玻色子是最後一個;三 來,確認希格斯玻色子還將對電弱相互作用的構建、超對稱理論和等產生重要影響。史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)最近還認為希格斯應該獲得諾貝爾物理學獎。

《上帝的粒子》分成兩部,第一部談發明,第二部談發現。作者巴格特(Jim Baggott)從物質、能量、質量的概念開始說起,描述粒子物理學的理論進程。物理學家為了解釋即有理論的缺陷,讓一個理論接著一個理論的發明,慢慢地讓希格斯玻色子登場。

理論物理學家讓希格斯玻色子上場後,實驗物理學家就要輪番上陣,過關斬將,驗證了希格斯場。而看似撲朔迷離的希格斯玻色子。為了燒大錢驗證標準模型 和找出這個該死的上帝粒子,粒子物理學家米勒(David Miller)輕鬆地向政客解釋希格斯機制,他提出像這樣的比喻:我們可以將希格斯場比擬為在物理學術大會裏均勻分佈的學者。我在物理學界完全沒有名氣 (廢話XD),像我可以輕鬆地低調穿過會場,沒有人會注意到我的存在,就如同希格斯場與零質量光子之間的交互作用。假若物理大師如希格斯本人進入會場,大 家會被大師的魅力吸引,在大師四周擠成一團。因此,他會獲得很多質量。若以同樣速度穿過會場,他所具有的動量當然會比較大,改變他的移動速度也比較不容 易,必須施加更大的作用力。這還說服了英國政府繼續掏錢贊助CERN。不過希格斯玻色子的研究計畫卻在美國國會胎死腹中,僅剩歐洲還堅持下去。

在CERN,兩組CMS和ALTAS各有上千科學家支援的團隊獨立利用不同方法驗證希格斯玻色子的實驗,在公佈結果前,並沒有串供,這是科學社群良性地競 爭,讓科學實驗有再現性的良好範例。科學之所以可以一日千里,就是因為良性競爭造成的「必要的張力」(essential tension)。CMS和ALTAS都有台灣物理學家參與,台灣大學和中央大學的團隊加入CMS,中研院的團隊則加入ALTAS。為了有效處理LHC產 出的龐大資料,中研院與CERN合作設立亞洲首座Tier-1網格維運中心, 大幅提升了台灣學界的研究能量和國際地位。

在這方面,當然又是外行的看熱鬧,內行的看門道。我不是物理學家,當然是看熱鬧為主。因此,對我而言,《上帝的粒子》的第一部討論各各理論的誕生過程,還 是有霧裡看花的感覺。《上帝的粒子》的第二部主要是在講故事,讀起來就有趣多了。在臉書上,還有朋友介紹了這個PHD TV上的影片,說他看了才知道LHC在搞什麼飛機……哦不……粒子。

在這裡,我想談一件有趣的事,那就是為何《上帝的粒子》作者在第一部以及原文副標題上,用「發明」(Invention)來探討希格斯玻色子?如果希格斯玻色子早已存在了,科學家怎麼可能去「發明」它?

其實,科學並非絕對真理,科學探討的是事物與事物的關連,是一種相對的真理。科學家為了描述事物的本質和關連,就要「發明」一些理論去描述,然後利 用實驗去驗證,如果實驗和理論相符,科學社群就把該理論當作是對的,如果有足夠多的實驗證據不支持,則科學家就要「發明」更多更新的理論。科學的理論,要 能讓實驗給否證,也要有預測力,其理論之預測,也要讓科學社群的其他科學家重覆驗證。並不是用了數學模型,就算是科學。

希格斯「發明」了「希格斯機制」來解釋某些粒子的質量,他的理論預測了希格斯玻色子的存在,如果LHC的實驗找到的確實為希格斯玻色子,則希格斯機 制的理論就暫且為真,不過希格斯場理論還無法解釋一些關於強交互作用、電弱交互作用、重力交互作用的統一化問題,以及宇宙的起源問題,所以日後會不會又被 其他理論給取代了,還是無知數。不過無論如何,科學家還是會愈來愈逼近瞭解這個宇宙的真實狀況!

本文原刊登於Readmoo.com【GENE思書軒】,並同步刊登於 The Sky of Gene


 

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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Omicron 變種病毒從哪來?打疫苗有用嗎?Omicron相關研究彙整

台灣科技媒體中心_96
・2022/01/22 ・2931字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國內境外移入已出現變種病毒 Omicron 案例,引發國人擔憂。至去年 12 月中為止,我們僅略知 Omicron 會造成曾染疫者再次染疫的風險增加,不過,初次感染比率卻下降,而 Omicron 病毒的傳播力尚待研究證實。

另一方面,Omicron 變種病毒從去年底爆發全球疫情至今,大家最關注的就是新冠疫苗的保護力是否會因為 Omicron 病毒而失效。科學家在 2021 年底初步用施打疫苗的血清做測試,發現這些血清對 Omicron 病毒的抗體反應有下降;但台灣科技媒體中心綜整至今(2022)年陸續發布尚未同儕審核的預印本研究,發現人體由疫苗或感染病毒獲得的 T 細胞免疫反應,並沒有因為 Omicron 變種病毒而受到太大的影響,表示人體過去打疫苗或受新冠病毒感染後,仍帶有一定程度的保護力。

人們施打疫苗或受新冠病毒感染後,面對Omicron 仍帶有一定程度的保護力。圖/envato elements

「台灣科技媒體中心」彙整 Omicron 相關科學文獻,提供國人參考,增加對最新變種病毒的認識。

Omicron 從哪來?這次變種有什麼特徵?

Omicron 變種病毒在 2021 年 11 月 26 日,由 WHO 正式命名。科學家觀察 Omicron 的序列時發現,它與之前的變種病毒相較,突變位置的數量最多。造成全球大流行的 Beta 和 Delta 病毒,改變棘蛋白功能的突變分別是 10 個和 9 個,而 Omicron 有 36 個,這是引起科學家們擔憂的最主要原因。

研究發現,Omicron 病毒在南非,「再感染」的風險增加,但這並不能說明是因為 Omicron 病毒的傳播力變強。南非流行病模擬暨分析中心(SACEMA)於 12 月 2 日,發表尚未經同儕審核的研究,根據 11 月 1 日至 27 日間的數據指出,南非當地曾經感染新冠病毒者,又再感染 Omicron 病毒的風險較高。推測應是從自然感染新冠病毒獲得的免疫力,對抗 Omicron 的效果下降。該研究提醒,雖然再感染率上升,初次感染比率卻下降,研究無法回答再感染率增加的原因,也無法說明 Omicron 免疫逃脫的程度。

南非國家傳染病研究所(NICD)病毒學家潘妮.摩爾(Penny Moore)認為,南非的新冠疫苗覆蓋率較低,再感染率高,所以關鍵在於感染後的症狀與重症程度。雖然目前 Omicron 在南非案例增加快速,但在英國主要流行的變種病毒還是 Delta,因此很難從案例數字看出 Omicron 的傳播狀況。

(示意圖)圖/envato elements

Omicron 會讓疫苗失效嗎?

目前科學家是依據觀察抗體量,來判斷疫苗的作用,而其中的原理,長庚大學臨床醫學研究所教授顧正崙說明:在對抗致病性微生物的戰爭中,後天免疫系統由 B 細胞產生的抗體與 T 細胞的細胞免疫,組成兩個交叉火網。新冠疫苗可以誘發 B 細胞產生抗體,抗體主要中和病毒預防感染。

Omicron 由於在棘蛋白上有高達 30 個以上的突變,由疫苗誘發中和抗體的能力對 Omicron 的結合能力下降,這點也在大量的體外抗體中和實驗中所證實,解釋為什麼接受過疫苗的人仍會被 Omicron 感染;尤其是 AZ 疫苗這種抗體誘發抗體能力較低的疫苗,幾乎沒有辦法有效預防感染。

國立陽明交通大學微生物及免疫研究所退休教授 黃麗華 也說明,相反的,T 細胞辨識的不是棘蛋白結構,而是呈現在細胞表面上的小片段蛋白質(約 10~24 個胺基酸)。棘蛋白中,約估有數十條小片段可被呈現在細胞表面,可被輔助型及殺手型 T 細胞所辨識。

Omicron 病毒在棘蛋白上雖然有 30 多個突變點,但其中可能影響T細胞功能的分別只有 28% (輔助型 T 細胞)及 14% (毒殺型 T 細胞)而已。換言之,絕大部分因疫苗引發的 T 細胞仍可充分辨識被 Omicron 病毒感染的細胞、並且將之清除。T 細胞反應沒有因 Omicron 病毒而受到太大的影響。(但若未來突變持續增加,呈現在細胞表面上的小片段蛋白質受到更多影響時,T 細胞反應有可能也會隨之降低。)

Omicron 的突變能讓抗體結合力下降,但對T細胞的辨識功能影響不大。圖/envato elements

這樣的研究也解釋了為什麼 Omicron 病毒雖然能造成接受疫苗後的人得到突破性感染,造成感染人數大幅上升,但是由於 T 細胞免疫還是能有效對抗感染,比起未接種疫苗者,這些確診者多為輕症或無症狀。

我應該接種第三劑疫苗嗎?第三劑如何挑選?

中興大學獸醫病理生物學研究所所長吳弘毅 指出,Omicron 會快速流行有許多原因,例如南非疫苗覆蓋率低,各國的防疫措施不同也是影響的重要因素。而判斷 Omicron 影響疫苗效果的關鍵在於,疫苗是何時施打的,因為較早施打疫苗者產生的抗體會逐漸下降。國內病毒專家施信如 則表示,台灣現在的相對優勢是,大多數人最近已施打完第二劑,保護力較高。

但兩人皆認為,提高現階段的保護力,國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護、提升抗體濃度。另外,較早施打 AZ 疫苗的人,也需要盡快打第三劑。

在第三劑挑選上,施信如說明,AZ 疫苗是利用「腺病毒載體」,免疫系統再次辨認腺病毒時容易消滅疫苗載體,而減低 AZ 疫苗的效果,可能不適合作為第三劑。反過來說,原先打 mRNA 疫苗的,可以第三劑再打 AZ 疫苗,也應該考慮其他種類和品牌的疫苗,包含 Medigen(高端)與 Novavax,蛋白質疫苗也可以是很好的選擇,而不是僅限 AZ、BNT 和莫德納。

國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護。圖/envato elements

此外她也提醒,疫苗施打策略應該考量全球疫苗的整體覆蓋率,富國可以一直補打第三劑疫苗,但這次 Omicron 疫情來自的非洲,相對之下較沒有量能施打第三劑,應要趕緊提升其他各國(窮國)第二劑疫苗的施打率,並持續關注這些疫苗覆蓋率低的國家的病毒變異。

吳弘毅則表示,以整體來看,未來,我們可能需要如同流行性感冒疫苗一樣,每年固定的月份同時補打新冠疫苗,讓全球的抗體或免疫能力同步。

Omicron 的研究還在進行中

有關 Omicron 的突變對傳播力、各廠牌疫苗的影響,以及感染後的情況,科學證據都還在累積當中。「台灣科技媒體中心」強調,目前應有效評斷最新研究證據的可信度與推論程度,國人不宜在未有足夠證據的狀況下,急於做出對於 Omicron 病毒的評判。

施信如與吳弘毅也表示,從現在 Omicron 有限的資料來看,Omicron 是否會對台灣造成嚴重影響仍未知,必須考量台灣的疫苗覆蓋率、防疫策略以及醫療量能。同時,台灣也須嚴密監測各國 Omicron 的疫情狀況和最新研究,以協助政府進行政策判斷。至於一般民眾則需有心理準備,防疫是長期的工作,勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式,如此才能盡量降低接觸病毒的量。

勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式。圖/envato elements


 

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