上帝粒子現身!99.9999%確定 解開宇宙之謎 霍金賭輸

鉅亨網編輯查淑妝 台北綜合報導
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被喻為「上帝粒子」、是一切物質質量之源的希格斯玻色子 (Higgs Boson) ,在科學家追尋近半世紀後終於現身!歐洲核子研究組織 (CERN) 昨 (4) 日宣布,發現一種微細粒子,其「性質與希格斯玻色子一致」,簡單來說就是已找到希格斯玻色子, CERN 形容新發現是「了解宇宙的新里程」。

香港《明報》綜合報導, 1964 年提出希格斯玻色子理論、如今已 83 歲的英國物理學家希格斯 (Peter Higgs) 昨天親臨 CERN 見證這歷史時刻。他說﹕「我從來沒有想過這會在我有生之年發生, (我) 會請家人開一些香檳 (慶祝) 。」與他分開發表有關理論的 79 歲比利時物理學家恩勒特 (Francois Englert) 亦激動得眼泛淚光。

科學家一直都想了解物質的質量從何而來,以及為何一些物質如光線不含質量。直到希格斯提出理論,假設有一種神秘粒子 (也就是希格斯玻色子) 賦予萬物質量、令各式粒子能夠凝聚起來,現代粒子物理學的「標準模型」理論,才得以自圓其說。根據希格斯的理論,一些粒子遇上希格斯玻色子,結果就慢下來並得到質量,但像光一類粒子則沒有。

不過希格斯玻色子卻是「標準模型」 62 種基本粒子中,唯一仍未發現的。由於它難以尋覓又極為重要,因此被稱作上帝粒子。追尋上帝粒子由去年起漸入高潮, CERN 運用全球最大的強子對撞機 (LHC) ,進行無數次的質子與質子高速對撞,模擬宇宙大爆炸瞬間的狀況,終發現希格斯玻色子存在的蛛絲馬。

香港大學物理系的潘振聲博士解釋,粒子物理學領域以統計學的標準誤差 (sigma) 概念,去計算實驗的準確度,一般來說大於 5 個 sigma (誤差少於 350 萬分之 1 )才算是發現。去年底, CERN 的科學家就公布,希格斯玻色子質量介乎 115 至 130GeV/c2 (衡量粒子質量單位) 之間的可能性,有 2.4 個 sigma ,意即準確度達 98% ,但仍未達到 5 個 sigma 的科學認證水平。

直至昨天, CERN 兩組獨立研究隊 ATLAS 和 CMS 公布實驗結果,指希格斯玻色子質量在 125 至 126GeV/c2 (相當於光子質量逾 130 倍) 的可能性,達到 4.9 至 5 個 sigma 。 5 個 sigma 意即實驗出錯機會小於 350 萬分之 1 (即準確度達 99.99998%) 。即使只以 4.9 個 sigma 而論,這數字意味,實驗搞錯的機會率只有 0.00006% 。

有科學家將這次發現,與 1960 年代的阿波羅登月計劃相提並論。根據學術性的講法,科學家只是找到與希格斯玻色子「性質一致」的新粒子,要確定「新粒子」就是希格斯玻色子,還需要更多實驗數據,但 CERN 秘書長霍爾 (Rolf Heuer) 直言:「作為普通人,我會說已經找到 (希格斯玻色子) 。」

根據「標準模型」預測,希格斯玻色子只能在短時間內保持完整,之後會衰變為不同粒子。專家會透過更多強子對撞機實驗,研究這些變化是否符合「標準模型」中的希格斯玻色子假設。(接下頁)


對於 CERN 發現希格斯玻色子,英國著名物理學家霍金昨形容,這是一個重大成就,「希格斯應獲諾貝爾」,「但這有點可惜,因為物理學的大突破,往往來自一些給我們帶來意想不到結果的實驗。但無論如何,我似乎賭輸了 100 美元」。

霍金 2008 年曾押注 100 美元,跟人打賭歐洲強子對撞器 (LHC) 找不到希格斯玻色子,還說「如果沒發現它,會更令人興奮,那就表示 (現有物理學理論) 某些地方出了錯,必須重新思考」。霍金這番話惹來希格斯不悅,反批霍金研究「做得不夠好」,「他把粒子物理學的理論與重力學扯在一起,沒有任何一位理論學派粒子物理學家會認為這是正確的。」

1964 年 7 月 16 日,希格斯在愛丁堡大學的圖書館,閱讀一篇與他的觀點完全不同的文章,一種想法「開始產生」。幾天後,他回到辦公室,關於粒子如何獲得質量的理論,已在腦中成形。之後兩周,他開始撰寫兩篇有關希格斯玻色子的論文,它們後來成了現代粒子物理學的基礎,但諷刺的是,當年他的論文,卻被設在 CERN 的《歐洲物理學快報》編輯退回,經修改過後,才獲美國《物理評論通訊》採用。

質量是物體中含有多少物質的度量,如果沒有質量,構成現有物體的基本粒子,都將以光速移動,宇宙間的物質就不能凝聚起來。這就是科學家一直希望印證希格斯玻色子存在的原因。尋找希格斯玻色子的唯一方法,就是運用大型強子對撞機,把兩個質子束加速到接近光速,相互對撞,從而撞出只有在極高能量狀態下才能產生的基本粒子。擁有這種強大儀器,目前就只有歐洲和美國。

歐美在尋找「上帝粒子」的競賽中,一直希望搶先對手,在實驗中達到 5 個 sigma 的「發現」級準確度。在 CERN 公布結果前夕,美國能源部屬下的費米國家加速器實驗室亦宣布,他們的最新數據「強烈表明」希格斯玻色子的存在,但仍未達到5個 sigma 的級數。

粒子物理學領域,美國與歐洲一直互有領先,競爭如此激烈,皆因這關乎美國和歐洲的科學權威,若美國科學家搶先發現希格斯玻色子,將會為其近代科學領域取得的主要成就,畫上完美句號。若被歐洲捷足先登,將被視為對美國的一次打擊。 CERN 在 1980 年代準備籌建大型強子對撞機 (LHC) 時,就把證實「上帝粒子」存在視為奮鬥目標,在 LHC 在 2010 年啟用前,美國費米的 Tevatron 一直是全球最強大的對撞機,惟最後始終敗在歐方手上。

香港《文匯報》引述中新社消息,有份參與「尋找上帝粒子」實驗的中國科學院高能物理研究所科學家表示, CERN 實驗的初步結果,具有里程碑式的科學意義,但還不能最終證實新粒子就是希格斯玻色子。他們說,在全球合作的 CERN 實驗中,中國提供經費和參與科研人員所佔比例1%左右,但中國的貢獻「遠遠超過百分之一」。

參與 CMS 實驗的高能所研究員陳國明說, CMS 實驗 1/3 的端蓋繆子探測器和端蓋電磁能量器的所有晶體,均由中國研製提供。特別是實驗中用多變量分析方法區分訊號與本底、提高希格斯玻色子尋找的靈敏度方面,這次採用了 CMS 中國組的方法,比去年採用美國組方法的靈敏度要高3%。

另一研究員婁辛丑參加了 ATLAS 實驗。他說, ATLAS 中國組對實驗探測器建造方面的主要貢獻,包括研製提供液氬光子電子量能器、精密繆子漂移室探測器和 400 台 ATLAS 端蓋繆子觸發探測器以及網絡計算系統等,中國組還積極參與實驗數據的物理分析,包括光子觸發效率研究、改進雙光子希格斯玻色子重建質量分辨約 30% 、測量雙光子希格斯玻色子重建本底噪音等。(接下頁)


外電消息指出,不少人都聽聞過,「希格斯玻色子」(Higgs Boson) 中的「Higgs」代表英國科學家希格斯,但只有少數人知道當中的「Boson」,其實是以印度物理學家博斯 (Bose) 命名。

博斯 1894 年生於尚在英國殖民統治下的印度。他是加爾各答及孟加拉首都達卡的大學講師, 1924 年曾向著名物理學家愛因斯坦寄出一紙論文,結果引導物理學界發現名為「玻色—愛因斯坦凝聚態」的現象。這篇論文提及兩種基本次原子粒子,其一是以博斯命名的「玻色子」,另一種則是以意大利物理學家費米命名的「費米子」。曾有不少科學家因研究與玻色子有關的命題獲頒諾貝爾獎,博斯終其一生卻與諾獎無緣。

上帝粒子Q&A

Q︰甚麼是希格斯玻色子?

A︰科學家認為希格斯玻色子 (又稱「上帝粒子」) 是一種帶質量的次原子粒子,在一個宇宙大爆炸後產生、但肉眼無法看見的區域存在,並散布宇宙中。它附在物質的基本粒子上,然後衰變成另一種形式。某些基本粒子與希格斯玻色子的反應較強,故質量較重。

Q︰這種粒子為何重要?

A︰質量起源是物理學界數十年爭論焦點之一,希格斯玻色子被視為解釋粒子為何擁有質量的關鍵,證實其存在,將有助於重新構建人類對物質質量的概念。根據物理學家於 1970 年代提出的「標準模型」,宇宙及萬物均是由 4 大類基本粒子構成,希格斯玻色子是最後一種被證實的基本粒子,從而印證標準模型。

Q︰希格斯玻色子名從何來?

A︰以 1964 年首次提出這種粒子存在的英國物理學家希格斯命名。玻色子是非物質粒子,作為能量媒介或物質粒子間的「信差」,兩者互動產生3種力量,包括強力、弱力和電磁力。

Q︰如何尋找?

A︰歐洲核子研究組織 (CERN) 利用大型強子對撞機 (LHC) ,將粒子對撞,然後短暫產生相當於太陽 10 萬倍的溫度,模擬 140 億年前宇宙大爆炸情況,然後篩選次原子粒子殘骸,分析當中數據。

Q︰為何又稱「上帝粒子」?

A︰字面上,這反映希格斯玻色子「無處不在、極之強大、但難以尋獲」的特性,但事實上「上帝粒子」之稱是來自諾貝爾獎得主萊德曼的同名著作,該書介紹尋找希格斯玻色子的過程,原名為「該死的粒子」 (The Goddamn Particle) ,但出版社覺得敏感,便改為《The God Particle》。

資料來源:香港文匯報/彭博通訊社 

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