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2012年3月21日

上帝粒子?真的存在嗎?

作者:Oliver

希格斯玻色子

CMS探測器捕抓的一次質子團對撞瞬間的復原圖

 2011年12月,歐洲核子研究中心(CERN)在瑞士日內瓦舉行研討會時,宣稱他們實驗可能已經讓「上帝粒子(God particle)」希格斯玻色子(Higgs boson)現形,科學家相信在不久的將來將會發現「上帝粒子」的存在。當上帝粒子被發現之後,上帝將會完全被科學取代了嗎?現在所有信仰將會因此消失了嗎?
事實上,上帝粒子,正名為希格斯玻色子,與信仰毫無關係,卻和上帝一樣─不知道存在與否。那麼,希格斯玻色子到底是甚麼?

先由費米國立加速器實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory)的科學家Don Lincoln為我們解釋甚麼是希格斯玻色子。 

在粒子物理學的標準模型(Standard Model)上,希格斯玻色子是假想的純量玻色子註一(scalar boson),其自旋註二(spin)為零,由物理學家彼得‧希格斯(Peter Higgs)命名。

質量之源

1960年代,科學家在粒子物理學上所建立了標準模型理論裡,它假設了62種基本粒子(elementary particle)的存在。至今為止,科學家已經發現了當中61種基本粒子,然而最後一種尚未被發現的粒子-希格斯玻色子卻是所有質量之源。

有質量的粒子穿過希格斯場的互相作用
希格斯假設在宇宙誕生的最初,一切物質都處於極高的溫度而且沒有任何質量。在大爆炸發生之後,隨着宇宙的膨脹速度和溫度降低至一定溫度的時候,希格斯玻色子便形成,並構成了一種不可見的希格斯場(Higgs field)。當其他帶有質量的粒子(圖中的紅色球體)穿過希格斯場(圖中的線)的時候,就會像物體在水中行走一樣,而希格斯場則像是由無數水份子所組成的液態水一樣,希格斯玻色子便是組成液體水的水份子。當物體在水中行走時,水和物體之間會互相作用,產生阻力,這種「阻力」就形成了質量。不同的粒子穿過希格斯場的時候,與希格斯玻色子產生不同的互相作用,令不同粒子有不同的質量,「阻力」越大質量越大。
沒有質量的粒子穿過希格斯場的互相作用
當其他沒有質量的粒子(圖中的綠色球體)以光速穿過希格斯場(圖中的線)的時候,沒有質量的粒子(如光子)就不會和希格斯玻色子互相作用而減慢速度,所以粒子依舊會以光速飛走。

尋找上帝粒子 

大型強子對撞機的隧道內部
要證明希格斯場的存在,必先要製造並偵測出希格斯玻色子的存在。科學家為了找尋質量之源-希格斯玻色子,耗資100億美元在瑞士日內瓦興建了大型強子對撞機(Large Hadron Collider - LHC),以用作將兩顆質子(proton)加速到接近光速並相撞,來模擬宇宙大爆炸時候的情況,製造新的希格斯玻色子以作偵測。

不過,根據科學家推斷希格斯玻色子的質量是十分大,所以難以製造出來。根據愛因斯坦所提出的質能等價(Mass-energy equivalence),物質只是能量的其中一種形式,也就是著名的公式E=mc2。因此,科學家必須將兩顆質子加速到99.999999%的光速相撞,每顆質子會逹到7 TeV註三的能量,而相撞所釋放的能量會變成數百種的粒子,如果希格斯玻色子存在的話就會被製造並偵測到。經過350萬億次的質子撞擊,其中約10次可能已讓希格斯玻色子現身,這將可能一步步把質量收窄至約120到125GeV。


其實際過程及原理可以簡單由下影片解釋


當代著名天體物理學家霍金在2008年以100美元作賭注,他表示:「如果我們沒有在實驗中發現希格斯玻色子的存在,那麼這將是一件更令人激動的事情。因為這表明我們在某方面做錯了,我們需要重新考慮這件事情。我已經打賭100美元,他們是不會找到希格斯玻色子的」。霍金會輸掉100美元嗎?歐洲核子研究組織會發現「上帝粒子」嗎?無論如何,大型強子對撞機所帶來的結果也會為物理學界帶來重大的影響。「上帝粒子」也不是粒子物理學的終點,解決質量之源還有甚麼等着我們?

著名理論物理學家加來 道雄(Michio Kaku)則相信「上帝粒子」的發現,是為物理學打開一個新紀元,進而可以研究暗物質(dark matter)、平行世界、時間旅行等等深奧的問題。


星系中存在大量暗物質


註一:它擁有非負整數(0、1、2)自旋,可以是基本粒子(Elementary particle)(如光子)或是由基本粒子所組成的複合粒子(composite particle)(如介子)。而純量玻色子則是自旋為0的玻色子。

註二:基本粒子的內在性質,它可以是正半奇數(1/2、3/2等等)或非負整數(0、1、2)。自旋為0的粒子從各個方向看都一樣,就像一個點。自旋為1的粒子在旋轉360度後看起來一樣。自旋為2的粒子旋轉180度,自旋為1/2的粒子必須旋轉2圈才會一樣。自旋為正半奇數的粒子組成宇宙的一切,而自旋為非負整數的粒子則組成了物質之間的力。

註三:1 eV = 1.60217653(14)×10-19 J. 1 T=1012. 1 G=109. 愛因斯坦提到能量等同於質量,即有名的質能等價公式E=mc2,所以1 GeV/c² = 1.783 × 10−27 kg,也就是將一顆質子的所有質量轉為能量約為1 GeV。

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