[讀書筆記] 撞出希格斯粒子

撰文日期：2018.06.08

【希格斯粒子 Higgs】

希格斯粒子是標準模型裡頭的一塊重要的拼圖，1950年代開始，隨著描述弱核力的W玻色子，Z玻色子，三個世代的六種夸克，描述強核力的膠子，以及電子微中子所代表的輕子相繼被發現之後，整個標準模型的大一統態勢幾乎是一片看好，而能夠透過耦合來賦予這個宇宙30%粒子質量的粒子，也就是「希格斯粒子」，成為21世紀初開始物理學必然尋找的基本粒子。

這顆粒子所代表的意義是，去回答標準模型是否是條死胡同，或是能夠描述真理的康莊大道。

而結果當然是，希格斯粒子在2012年被間接地證實了。科學家們在希格斯粒子的辨識途徑下了很大的功夫，最後確立了使用「希格斯玻色子衰變成Z玻色子，而W玻色子衰變成四顆輕子：電子與反電子，緲子與反緲子」的架構，用光子與輕子的光譜，舉證了希格斯粒子的跡象。隨後在多個跡象上去證明了希格斯粒子所符合的「CP對偶」特性。

這顆粒子延續了標準模型的有效性，並且引領著未來的基本粒子學界逐步探討與希格斯粒子有關的特性，去解決許多延宕已久的物理問題。

【Smashing Physics 閱讀筆記】

先談心得，這本書當初並沒有預先設定要購買，也沒有打算再繼續研究希格斯粒子。去年的某一天拜訪了新竹巨城誠品書店的時候偶然看見了這本新書，由於過去有閱讀過微中子物理學家暨諾貝爾獎得主的尾田隆章在神岡觀測站所做的基本粒子研究，理解到真正揭開基本粒子面紗的，其實是一系列原子對撞的過程。基於對「強子對撞機」的好奇，於是就收納了這本書。

這本書雖然用淺顯的語言在描述基本粒子的運作，但實際上還是相當複雜的內容，閱讀與思考同時並進的結果，這本書大概看了將近三個月才讀完。書裡頭會帶著讀者稍微理解各項基本粒子，當然對於基本粒子的概念「夸克」「輕子」「標準模型」「玻色子」「費米子」「量子色動力學」有初步的認識會比較好上手。

因為手上有「最強的理論（講述標準模型）」與「霍金時間簡史」等書籍的背景，所以還不至於看的茫然。

本書的作者是英國倫敦大學的物理學者，本身算是整個日內瓦強子對撞實驗數千人團隊裡職位比較高的角色，透過他的全面理解，從強子對撞的原理，整個研究過程的評估，英國政府在經濟不景氣時的學術預算刪減，以及一些研究學者生活的插曲都有不少的著墨。算是很合我胃口的一本書。

書中有一個很值得深思的問題：
「為什麼我們要費盡那麼龐大的資源和心思去研究基本粒子，和宇宙最初的樣子。」

這個問題的答案其實很困難，但作者套了亞里斯多德簡單的一句話回答了。
「因為我們是人類，我們有好奇心。」

理解這些東西並不意味著我們的人生能獲得什麼改變，然而在開拓宇宙知識的過程，我們正以身為一個人所具有的價值在發揮著。這是我對這個解答的看法。

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以下介紹整個「希格斯粒子」與周邊研究計畫所發展的「強子對撞機」團隊做一個簡單的描述。關於我對基本粒子的理解，就寄放在可下載的檔案連結當中。

基本粒子整理：https://goo.gl/bCjv48

2008年

日內瓦梅蘭市（瑞士與法國邊境）的「強子對撞機」完工。強子對撞機非常之大，主要目的是要提供足夠的加速空間，強大的「射住偏轉磁鐵」，去形成宇宙最初的能量，讓已經無法再分割的基本粒子相撞，去看看對撞的過程，是否可以再拆解出更小的基本粒子，或是未知的物理性質。
這座「強子對撞機」取代了過去同一地點的「正子對撞機」，正子對撞機因為能量的極限，所以補充電子束的能量不足以彌補電子在移動時所放出的同步輻射，因此整個電子能量達到了某個上限，「強子對撞機」作為更強能量的儀器，因為強子為夸克組成物，有較低的同步輻射，便用來解決「正子對撞機」無法再看到的東西。
九月十日，強子對撞機的質子啟動進行對撞，結果過程發生爆炸事故，幾個巨型磁鐵被炸開，最後查詢為某個磁鐵連結器出了問題。
十一月二十三日，機器修復後進行了成功對撞，這一天兩顆質子相撞碎裂。物理學家分析第一批數據。

2010年

三月三十日，日內瓦強子對撞機發揮了史上最高的能量，也是地表第一次使用如此高能進行粒子對撞。質子被加速到3.5兆eV。
六月底：超環面儀器團隊在哥本哈根召開國際高能物理大會的籌備會議，三千多名成員，來自三十八個國家。針對強子對撞機是否能夠偵測到適當的結果，以及數據進行討論。（作者趕上了噴流截面發表的複雜審查，於七月高能物理大會發表）
七月二十一日：
國際高能物理大會在巴黎舉行。主題為報告強子對撞機的首批數據。報告上利用W玻色子與頂夸克的質量預測出標準模型上希格斯粒子可能的質量將落在42GeV到159GeV之間。微中子也在這場會議上被介紹，引來相當大的人氣。作者的宙斯團隊發表了「介子+重子」五夸克組成的強子的發現。

2011年

在對撞數據上發現比預期更多的W玻色子，因此開始懷疑粒子再生成中有希格斯粒子的產生。一個希格斯玻色子能夠衰變為+/-兩顆W玻色子，而W玻色子會衰變為緲子和電子。
岐阜縣飛驒市神岡探測器進行的T2K微中子實驗，觀察到緲子微中子轉成電子微中子的徵兆，其成果說明微中子震盪應該有三種角度參數，可以有機會解釋為何標準模型的物質與反物質無法對稱。
孟買輕光子大會：
雷文發表Bs介子某個衰變過程的結果，完全符合標準模型的預測，而打擊了超對稱理論。
歐普拉團隊發表觀測到「微中子跑的比光速快」的數據，最終發現是儀器出了問題，實驗召集人因此下台。
十二月：
歐洲核子研究組織理事會，報告強子對撞機的研究進度，和希格斯粒子的實驗進展。

2012年

七月三日，歐洲核子研究組織第四十號大樓居禮堂，吉亞諾帝發表電子與緲子事件的流程，提出四個輕子質量峰值，將光子的結果也加入其中，則可獲得五個標準差，顯現這個過程的原初可能來自「希格斯玻色子」。
經過緊密的驗證，帶入標準模型的結果，發現這顆疑似「希格斯玻色子」的粒子能夠被+W，-W玻色子所吸收，而補足W玻色子內部缺少的偏振自由度，而光子不會吸收此類玻色子。此一結果推測，新發現的粒子，確實能夠將量子場，W玻色子，Z玻色子耦合，也賦予費米子質量。也因此，這顆粒子被認為是當初所預估的「希格斯玻色子」。儘管希格斯玻色子衰變成費米子的證據並沒有被發現。
希格斯玻色子的命名來自第一個認定自然界存在這樣粒子的科學家，也就是希格斯。當年的諾貝爾物理學獎頒發給貝格勒與希格斯（因為布饒特已經過世，第三個人選被空下來了）。

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關於希格斯玻色子研究的未來：

此粒子的特性為
(1) 自旋為不可為1，但是否有其他自旋未知，僅能知道該玻色子是個純量玻色子。
(2) 符合「CP對稱」，也就是相加量子數相對掉時，系統不會改變。