歐洲核子研究組織在發現希格斯粒子之後，首次打開大門，讓我們一探究竟!
文/曾琬迪
2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）首次公開發表「希格斯粒子」的發現，50年前提出希格斯機制的希格斯和盎格列都受邀入席。當緊湊緲子螺管探測器（Compact Muon Solenoid， CMS）和超導環場探測器（A Toroidal LHCApparatus， ATLAS）兩個團隊先後公布成果，希格斯老先生當場老淚縱橫:「對我來說，這真是難以置信。這一切竟然會在我有生之年發生。」
而讓這一切得以發生的，正是CERN 的大強子對撞機（Large Hadron Collider， LHC），以及數千名在此努力不懈的物理學家和工程師。
LHC 這個名詞從五年前開始廣為人知，2008 年9 月10 日是它第一次試運轉成功，在周長27 公里的超大環形加速器中，兩道質子束成功地完成繞行——這個人類史上最昂貴的科學儀器，真的可以實際運作!消息一出，馬上攻占世界各大媒體版面，據CERN 的媒體公關部表示，這也是它們的網站流量第一次超越美國航太總署（NASA）。
今年3 月，CERN 終於正式宣布，先前探測到的新粒子確認是希格斯玻色子，LHC 至此暫時功成身退，依照原定計畫停機兩年進行升級，提升質子束至更高的能量等級，要到2015 年才會重新啟動。
在LHC 停機的這兩年，CERN 也沒閒著，除了繼續分析海量數據，並為下階段做足準備，他們也決定打開大門，舉辦兩天CERN OPENDAYS，開放民眾參觀地下一百公尺深的LHC 內部，親身體驗「大科學」的魅力。距離上次CERN 開放民眾參觀，已經長達五年之久，而這次又是LHC發現希格斯粒子後首度開放，千載難逢的機會，讓科學愛好者趨之若鶩，甚至有業者籌畫了專門的參訪團。一名物理部落客，列出了十個你一定要去的理由:
一、錯過這次，你得再等五年!（LHC 預定於2018 年再度停機升級）
二、深入地下一百公尺，到達希格斯粒子首度被發現的地方。
三、親眼目睹讓LHC 停機的關鍵裝置。
四、拍攝藝術家繪製的ATLAS 巨型壁畫。
五、按下ATLAS 控制中心的緊急警報按鈕。
六、參觀第一部WWW 伺服器。
七、透過ALICE 認識「夸克–膠子漿」。
八、在展示中心的「未來椅」上放鬆一下。
九、想知道更多嗎？你可以直接詢問現場的粒子物理學家。
十、活動全部都是免費的，甚至還包含日內瓦的市區交通。
是不是很令人心動呢？不過瑞士畢竟有點遙遠，如果你沒能參與此次盛會，沒關係，現在就讓我們一起瞧瞧CERNOPENDAYS 有哪些精彩的內容吧。準備好了嗎？Let’s go !
「我們的宇宙是你的!」
CERN OPENDAYS 在2013 年9 月28日、29 日盛大展開，兩天的活動都是從早上九點到晚上八點。參與民眾可以免費搭乘日內瓦的公共交通設施，直接抵達主要活動會場——梅蘭（Meyrin）院區。雖然只有短短兩天，活動內容卻非常地豐富:CERN 在9 個區域安排了37 個地面參觀點，40 個不同主題的演講（共有224 場次，英、法、德、義四種語言），而最令人興奮的，莫過於深入地底100 公尺的地下參觀!
CERN小檔案CERN是世界上最大型的粒子物理實驗室，位於瑞士日內瓦西部接壤法國的邊境。它的前身是1954年由十一個西歐國家共同簽署公約成立的「歐洲核子研究委員會」（Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire，簡稱CERN），而後改名為「歐洲核子研究組織」（Organisation Européenne our la Recherche Nucléaire），但舊的簡稱CERN仍沿用至今。CERN成立之初，是為了在歐洲建立一個世界級的基礎物理研究組織。當時，基礎物理的研究重心是原子的內部結構，所以稱為「核子」研究組織。不過時至今日，CERN的研究範圍已經遠遠超過原子核的研究，來到「粒子物理學」的範疇，所以現在 |
LHC與探測器LHC於1994年年底由CERN的會員國投票決議興建，其目的除了尋找希格斯粒子，更為了進一步探索宇宙的組成成分——包括最神祕的暗物質與暗能量。這部人類史上最複雜也最龐大的實驗儀器，建造於1998~2008年間，由超過八千名科學家和工程師合作興建，耗資近百億美元。LHC位於法國和瑞士邊界的地底50~175公尺處，其結構包括讓質子束加速的環形「加速器」，以及在四個碰撞點設置的七個「探測器」。其中CMS和ATLAS是通用型的粒子探測器，用來尋找希格斯粒子和新的物理現象，其所收集到的數據，由兩個大型研究團隊分別進行獨立分析，藉此驗證彼此的實驗結果。而大型離子對撞機（A Large Ion Collider Experiment，ALICE）和LHC底夸克探測器（Large Hadron Colliderbeauty， LHCb），則是為了特定目標所設計的：ALICE研究鉛離子對撞後產生的夸克–膠子漿，以了解宇宙的形成；LHCb研究底夸克的性質，以了解正粒子和反粒子的不對稱原因。  除了上述四個主要的探測器，LHC還有另外三個小型的探測器：TOTEM、MoEDAL和LHCf，用來從事更專門的研究。 |
由於地下參觀有人數上的限制，所以必須先在網路上預訂門票才能參加。CERN從八月中開始，連續三週分期釋放門票，且只讓每個人登記一個場次，以確保所有人都有機會。門票釋出的方式也很有趣，網站會先預告你下次釋放的時間，是某一天當中的其中一小時，但在那一個小時內的釋放時間則是隨機的。筆者為了搶票，從預定時間前五分鐘就坐定電腦前，不斷重載頁面，最後總算如願以償，搶到了最想看的ATLAS 地下參觀門票。
除了地下參觀之外，其他所有活動都是自由入場。你可以近距離和粒子物理學家交流，參觀他們工作的地方，像是世界網格運算的心臟——計算機中心，或是LHC 的中樞神經系統——控制中心。你可以參觀加速器、反物質工廠、低溫和晶體實驗室，以及組裝超導磁鐵的巨型磁鐵設施。除此之外，CERN 還準備了許多特別的活動，像是介紹LHC 的3D 電影、讓學童可以自己動手做的「趣味空間」、彷彿變魔術一般的「科學劇場」，還有13 組樂團輪番上陣，讓你走累了可以坐下來聽聽音樂，享受科學與人文的交會。
這是一場盛大的科學展演，也是科學家和民眾同樂的嘉年華會。就像CERN OPENDAYS 的口號「我們的宇宙是你的!」研究宇宙奧祕的CERN 這兩天完全開放給民眾，前來參觀的每一個人，都是最重要的主角。
巨大的科學，真美!
由於CERN OPENDAYS 的活動實在太過豐富，就算你待上兩天也沒辦法全部逛完。以下就挑選幾個重點主題，跟大家分享。
ATLAS 探測器
ATLAS 探測器長46 公尺，直徑25 公尺，是LHC 中最大型的探測器，也是有史以來最大的一個探測器。既然來到CERN，當然不能錯過ATLAS 的地下參觀。
地下參觀以12 人為單位，由一位CERN 的研究人員親自帶領參觀。途中經過ATLAS 控制中心大樓，可以欣賞到美國藝術家克里斯佛提（Josef Kristofoletti）所創作的大型壁畫，畫中描繪粒子在ATLAS 探測器中碰撞的情形，繽紛的色彩充滿整個牆面，引人注目。雖想駐足欣賞，不過後面等著參觀ATLAS 的隊伍還排得很長，我們只能加快腳步繼續前進。
通過一扇小門，我們進入一棟建築，裡面充滿了管線、鐵架，還貼了很多放射線警告的圖示。導覽員很貼心地拿出輻射偵測器，告訴我們現在是停機時期，所以不會偵測到任何輻射值，大可安心。接著我們經過一扇戒備森嚴的門，進入通往地下的電梯。
ATLAS 探測器是以碰撞點為中心的一系列同心圓柱體設備所組成，主要分為三層探測設備，由內到外分別是:內部軌跡追蹤器（Inner Tracker）、量能器（Calorimeters）和緲子譜儀（Muon Spectrometer）。其中內外兩層還配備了磁鐵系統（如下頁圖示）。我們參觀時所在位置是在圖中左側小人下方的地面，因此只看得到緲子譜儀，不過光是如此，就足以讓人目瞪口呆說不出話來了。閃爍著金屬光澤的緲子譜儀，還有纏繞周圍的複雜管線，絕對比任何一個電影場景更震撼人心。
站在ATLAS 探測器面前，導覽員向我們解釋眼前的儀器是探測器的哪個部分，整個探測器又是如何運作。他告訴我們ATLAS 的磁鐵系統用的是超導磁鐵，由超導線圈構成，是一種很特殊的材料，不僅能產生巨大的磁場，也因為沒有電阻，維持磁場並不會消耗能量。不過要成為超導體卻有一個前提:磁鐵線圈必須冷卻到低於臨界溫度——攝氏零下271 度。「我們已知宇宙最冷的溫度是零下270 度，所以這裡是全宇宙最冷的地方。」導覽員笑著說。
除了宇宙最冷的超導磁鐵，ATLAS 探測器還有一個很厲害的地方，就是它的數據處理系統。在LHC 運轉的時候，平均每秒鐘會發生4000 萬次碰撞，而每個碰撞所生的資料量，大概就跟一張照片差不多，也就是說，每秒鐘就會新增4000萬張照片!這麼驚人的資料量，如果要全部存下來，硬碟就得堆到月球上去了。因此ATLAS 探測器的做法是，先初步篩選有興趣的高能量碰撞，每秒鐘只留下450~600 個碰撞事件，再針對這些事件做進一步分析。儘管數據已經大幅度刪減，LHC 仍舊累積了海量的資料，目前已超過100 PB（Petabyte，千兆位元組），相當於10 萬顆容量1TB 的硬碟。為了處理大量的數據，CERN 召集了全球網格計畫（World-wide LHC Computing Grid， WLCG），共有約40 個國家在世界各地200 多個計算中心，共同處理LHC 產生的資料。值得一提的是，中央研究院也參與了這項計畫，而且是亞洲唯一的一級中心（Tier-1Center，全球共有11 個）。
為什麼探測器要分那麼多層？ATLAS探測器中的三層探測設備任務各不相同：軌跡追蹤器可以精確地追蹤帶電粒子的軌跡，量能器可以測量粒子的能量，緲子譜儀則用來偵測極具穿透力的緲子。而磁鐵系統會產生磁場，促使帶電粒子在移動時發生偏轉，讓軌跡追蹤器和緲子譜儀藉由粒子偏轉的曲率，測得它們的動量。透過這三層探測器，質子束碰撞後所產生的粒子將無所遁形，全部被紀錄下來，進行進一步的分析。
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由於有太多人等著參觀ATLAS，我們只在地下停留了短短15 分鐘。儘管如此，那震撼已經太過強烈，就像質子束的碰撞一樣，激起了無數的火花。
小宇宙科學館
如果你對粒子物理有很多困惑，或是想了解CERN 和LHC 究竟在研究些什麼，來一趟小宇宙科學館（Microcosm），一定可以找到你要的答案。這裡是平時就對外開放的區域，可以說是以粒子物理為主題的科學博物館。如果錯過了CERN OPENDAYS，找個機會去小宇宙科學館參觀，也是個不錯的選擇。出發前記得先上網查詢開放時間，因為國定假日是固定休館的。
走進小宇宙科學館，你會先經過一條長廊，長廊的牆上貼著一長串海報，串出了CERN 的起源。故事從1949 年的德布羅意（Louis de Broglie）說起，那年他在歐洲文化會議上提議，歐洲國家應該共同創立一個科學實驗室。短短三年的時間，11 個歐洲國家就在一場會議上達成共識，決定成立CERN，並且選定瑞士日內瓦作為實驗室的預定地。1954 年9 月29 日，會員國共同批准公約，CERN 正式成立，也開啟了歐洲與美國的高能物理競賽。這場競賽互有輸贏，到了希格斯粒子被證實的那一刻，CERN 立下了一個里程碑，也證明了合作的力量。而這樣的合作精神，在小宇宙科學館可見一斑——所有的解說都是用四國語言寫成，包括法文、英文、義大利文和德文。
了解LHC 最主要的四個探測器:CMS、ATLAS、ALICE 和LHCb。現場也放置了一個ALICE 探測器的模型，讓你了解它的內部結構和每個儀器的用途。
以上所述都是小宇宙科學館的常設內容，不過既然是難得一次開放日，CERN 當然準備了更精彩的活動。走到小宇宙科學館的出口，一拐彎就進入了另一個空間，裡面就像是假日市集一般，擺了好多張長桌，每張桌子都站著一個穿著橘色制服的科學家，對著圍觀群眾講解CERN 所發展的各種尖端技術，如何改變我們的生活。像是我們每天都會連上的全球資訊網（WWW），就是在CERN 工作的英國科學家伯納斯–李（Tim Berners-Lee），為了滿足科學家之間共享訊息的需求，而研發出來的技術。
不過這裡最吸睛的，是一個結合Xbox遊戲主機技術的體感遊戲。每輪遊戲由兩個人共同參與，每個人分別代表一束質子束。你可以用腳來發射質子束，當兩端發出的質子束對撞在一起，背景螢幕就會顯示出碰撞後粒子激發的狀態，同時兩個人都會獲得分數。如果碰撞點離你的距離較遠，就表示你發射的時間較早，你還可以獲得更多分數喔。
如果在室內待久了想出來透透氣，小宇宙科學館的外面還有一個「科學花園」，陳列了CERN 過往實驗所用的大型儀器，每台儀器都曾風光一時，包括1973 年發現中性流的卡岡梅爾氣泡室（筆者覺得它看起來很像一個大黑輪）。這些儀器雖然已經是老古董了，但以現在的眼光看來，依舊很有科幻感，讓人忍不住幻想，深夜十二點時，所有的儀器會不會活過來跳舞呢？
一場成功的科學嘉年華
CERN OPENDAYS 連續兩天的活動下來，總共有七萬人湧入參觀，其中兩萬名幸運兒獲得地下參觀的機會。一位來自台灣的工程師說:「太屌了，他們竟然拼出這麼大的儀器，而且真的可以用，還在這麼短的時間內就找到了希格斯粒子!」一名英國的退休物理教師說:「我一直嚮往這樣的活動，但卻一直到退休才有機會參與，這兩天真是太棒了，科學教育不就應該像這樣嗎？」而就算是CERN 資深的物理學家，也有同樣的感動:「這場活動展現了CERN 研究的多樣性，真是不可思議，連我也發現了新東西。」
   小宇宙科學館附設的科學花園。由上至下分別是：大型歐洲氣泡室（Big European BubbleChamber， BEBC）、大型電子正子對撞機（Large lectron–Positron Collider， LEP）的射頻腔、卡岡梅爾氣泡室（Gargamelle Bubble Chamber）。 |
連續兩天的活動都持續到晚上八點， 直到CERN 的地標「科學創新之球」亮起夜燈，與會者仍流連忘返。每個人臉上滿足的笑容，已經說明了一切。毋庸置疑，這是一場成功的科學盛會。
要舉辦這樣成功的科學展覽，需要具備哪些條件呢？筆者認為，或許可以歸納為以下幾點:
一、多元設計:CERN 雖然聚焦於粒子物理研究，這次活動卻展現了驚人的多樣性，不僅有豐富的主題，活動設計更是精彩:有靜態的展示、有專人導覽的地下參觀和實驗室參觀、有實際動手做的小型workshop、有實驗演示、有競賽活動、有小劇場，也有3D 電影，更有多場不同主題的演講。在這裡，每個人都能找到他最喜歡的學習方式。
二、互動交流:為了支援這場規模龐大的活動，CERN 召集了2300 位志願工作者， 擔任導覽員或是服務人員。這樣龐大的工作團隊，搭配豐富的活動設計，促成了許多小規模的導覽、示範講解和實際操作，在約莫十幾個人的團體中，民眾真的可以實際參與活動，近距離和專家互動。
三、老少咸宜:除了多元的活動安排，CERN 也兼顧了各個年齡層的需求，有給小小孩玩的積木組裝和親子劇場，也有為學生設計的樂高模型競賽，而活動場所是否設有無障礙空間，也都會特別註明。每個人都是貴賓，都被禮遇。
四、指示清晰:大型活動最怕亂，如何設計指示系統，讓參與者能夠輕鬆優游，是成功的重要關鍵。CERN OPENDAYS 設計了一目了然的導覽手冊，將地圖、活動和接駁等重要資訊，全部整合在短短六面的摺頁。此外，還有一款很棒的智慧型手機APP，不僅依照主題和區域羅列出完整的活動內容，還可直接連結到地圖，並且定位現在位置。所以雖然活動很多，場地也很大（從梅蘭院區前往參觀CMS，搭乘接駁車需時45 分鐘），卻完全不會讓人無所適從。
五、鼓勵參與:這是一場完全免費的活動，參與活動免費，停車免費，而市區電車不僅免費還配合加開班次。這一切措施，配合超過半年的長期宣傳，在在將參與門檻降到最低，讓所有對CERN 有興趣的人，只要起心動念就能參與盛會。
唯有熱情創造一切
撇開CERN OPENDAYS 籌備小組的用心良苦，這場活動最讓人感動的地方，其實是人們的熱情。2300 名志願者，拋下他們的實驗工作，犧牲他們難得的週末假期，就為了訴說粒子物理的奧祕。七萬名群眾，從世界各地湧入，不僅為了一睹LHC 的風采，也為了對這門困難的學問，有多一點點的理解。這樣的熱情，讓上萬名科學家聚集在一起，跨越國籍和信仰，共同奉獻他們的生命，只為了回答一個關於宇宙的問題。
我想起在《上帝的粒子》書中看到的一則小故事:
LHC 在2011 年4 月22 日午夜，創下瞬間亮度的新世界紀錄。當晚的工程師負責人名叫龐塞，她在小時候曾經造訪過CERN，後來在1999 年加入實驗室，進行博士研究。當時是午夜，只有少數幾個還待在控制室裡的人見證了那個時刻。龐塞大喊大叫、手舞足蹈，就像當年那個參觀CERN 的青少年一樣，在空中揮舞雙臂。
科學讓人著迷，讓人燃起所有的熱情，投入一切。可是科學研究也是孤獨而不被理解的，它需要讓更多人感受它的魅力，它需要認同者，也需要後繼者，不斷傳承知識的火炬。
CERN 花費大量資源和人力舉辦這樣一場大型的科學展覽，究竟是為了什麼？在科學家和參與者的熱烈交流中，我找到了答案。
後記
標準模型的理論，隨著今年諾貝爾物理獎的頒發，似乎畫下了完美的句點。若真如此，粒子物理學的下一步該走向哪裡呢？標準模型還有可能被推翻或修改嗎？我們對實體物質的理解已經到達盡頭了嗎？CERN 的未來又將如何發展？
你可以上網看看這次CERN OPENDAYS完整的演講內容，答案或許就在影片中呢!
參考資料
- CERN官方網站
- CERN opendays 2013
- Anais Rassat， 10 Reasons to Visit the CERNOpen Days， ‘Dark Universe’， 2013.
- 余欣珊，<加速變奏曲—探索基本粒子的大強子對撞機>，«科學月刊»43 卷第5 期。
- 巴格特，柯明憲譯，«上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現»，貓頭鷹出版社，2013 年。
曾琬迪:前科學月刊主編
原刊載於科學月刊第四十四卷第十二期。
正直的周老師
