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高能物理學之福爾摩斯探案,發現新粒子!--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/11/12 ・2551字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

蔣正偉/美國卡內基美隆大學物理博士,現任國立中央大學特聘教授、中央研究院合聘研究員、國家理論科學中心科學家。

歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),在2013年的夏天,發現了一個新粒子的存在。接著的實驗陸續檢查這個新粒子所參與的各種反應, 證實它極其符合粒子物理的標準模型中希格斯粒子的特性。這項發現的重要性在於完備了標準模型中的所有基本粒子,讓我們確信自然界對稱性的破壞、基本粒子質量的來源,的確都跟希格斯粒子密切相關。加上它對數不清的基本粒子實驗成功而精確的預測或解釋,標準模型也被正名為「標準理論」。

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2013年夏天,CERN終於確定他們在LHC對撞中發現的「新粒子」,就是「希格斯波色子」(圖片右邊黃色的粒子),此發現完備了「基本模型」,並將其正名為「基本理論」。但是,這真的是「最基本」嗎? Source: wiki

宇宙的終極理論

然而,粒子物理學接下來的一個重要問題是:「這個標準理論就是自然界的終極理論嗎?」有很多理論上的推敲,以及實驗上暗物質、暗能量和微中子質量的發現,告訴我們問題的答案是否定的。我們需要超越標準理論的新物理來幫助解釋暗物質、暗能量的存在,微中子質量的來源,以及許多宇宙觀測、演化的現象。所以,未來粒子物理學的挑戰是:新物理在哪裡?我們該如何去發現與檢驗?宇宙的終極理論究竟是什麼?

因為標準理論的基本粒子已經都在實驗中被發現,所以新物理將會聚焦於尋找其他新粒子,這也同時是高能實驗物理學一直以來積極進行的方向。如果我們可以具體預測某個新粒子的質量以及交互作用的種類與強度,那麼對撞機就有明確的搜尋目標與方法,或者增加對撞能量、提高對撞機率,又或者改進偵測器的靈敏度等。可惜的是,我們現在擁有各種理論模型,卻沒有百分之百的信心哪一個是對的。在這種缺乏線索的情況下,粒子物理學的進展往往需要一些運氣。

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發現新的共振態

今年六月,LHC 的實驗公佈了一項結果,從某些粒子的衰變模式中,發現在2 TeV(兆電子伏特)能量附近似乎存在一個新的共振態(物理學家用共振態泛指在實驗中之某個物理態,其質量恰等於對撞的能量,以致於大量的生成。在能量頻譜曲線上,這種共振態的明顯特徵就是峰值的出現)之所以說「似乎」,是因為目前的統計量不足,所得信號僅偏離背景3個標準差左右,信心度並不夠高。根據粒子物理的標準,信號必須要偏離背景 5個標準差以上,才夠資格稱作發現。按照愛因斯坦的質能互換,這個共振態具有相當於約2100個質子的質量。想當然爾,粒子物理學家對於這個新發現非常興奮,並且寄予厚望。因為一旦確定,僅僅這樣一個新的共振態就會提供許多新物理的資訊,引領我們跨進粒子物理的嶄新世紀。

Standard_deviation_diagram.svg
標準差(σ,為Σ的小寫),可以理解為「樣本偏離常態(均值)的多寡」。在樣本數趨近無窮的情況下,樣本偏離1.96個標準差表示「此現象有5%的機會由非實驗操弄所引起」,而3.89個標準差有0.01%的機會,這對社會科學(心理學之類)來說,已是相當顯著。文中提及的5個標準差,大約只有0.000057%的機會。圖為常態分部圖。 Source: wiki

除了上述的質量以外,從實驗的論文當中,我們還得知下列訊息。在過去8 TeV的LHC實驗中,約產生了數十個這樣的共振態,我們因此知道它的產生機率(或稱產生截面積)。從衰變模式看來,它應該是個玻色子(自旋角動量為整數的粒子),而且與電弱規範玻色子交互作用。從能量頻譜分析,知道它的總衰變強度應該小於100 GeV(十億電子伏特),算是個窄頻寬的共振態。另一方面,利用其他衰變模式來搜尋新粒子的實驗也告訴我們,這個共振態並不喜歡衰變到某些最終狀態,或稱末態(例如輕子末態),因而存在著一些限制。

追尋可能的線索

從這些有限的已知資訊中,國際上許多理論學家已經展開各種邏輯上可能性的討論,試圖將所有線索拼湊起來,提供一個合理、完整的圖像。在短短的兩個月內,已經有超過40篇的理論論文提出解釋,當中也有臺灣的貢獻。一開始,絕大多數的人很自然地想到,這個共振態可能是自旋為1的規範粒子(統稱帶電荷的W’或不帶電荷的Z’玻色子),其中包括國內張敬民、阮自強教授的工作。如果真是如此,這意味著自然界至少還存在另一種新的交互作用力,也許可以增加我們對大統一理論的了解。還有一種可能是,它是自旋為0的另一個希格斯粒子;國內陳泉宏教授即有一篇論文討論。如果是這種情況,就表示自然界存在不止一種希格斯粒子,這對宇宙早期的創生或許有重要的影響,對基本粒子質量的來源也會有不同的理解。

另一個有趣的可能性是,此共振態並不是一個基本粒子,而是由其他新粒子透過新的強交互作用所構成的合成粒子,這是為什麼大家保守地稱它為共振態的原因。這陣子在日本東京大學的訪問期間,我因緣際會與當地的物理學家共同合作,率先提出這種可能性以及建立一個具體的模型。在此架構中,我們猜想自然界在更高能量的尺度下,還有一群新的、更重的基本粒子,像是我們所熟悉的夸克,會互相凝聚、形成一系列合成粒子,並透過特定的媒介子與標準理論的基本粒子相互作用,而其中最輕的合成粒子可以成為宇宙中的暗物質。

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如前面提到的,現在實驗的統計量還太低,LHC的超環面儀器(ATLAS)和緊湊渺子線圈(CMS)實驗組看到的共振態質量也不盡然吻合(分別為2 TeV和1.8 TeV),而且某些該發生的衰變也還未觀測到,所以現在看到的信號很可能又只是統計上的隨機漲落,讓人空歡喜一場。不過,大家都還是抱著很大的期待,特別是理論物理學家,希望透過它來嘗試新模型的建構,更盼望在LHC最近恢復更高能量運轉的短時間之內,可以確定它的存在,進而引導粒子物理邁向新的方向。

201510本文選自《科學月刊》2015年10月號

延伸閱讀:
實驗發現了五夸克粒子,真的嗎?
天上掉下來的粒子—從包利到希格斯

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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

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而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

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地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

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(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

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低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

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但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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