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DDSSN012-「奚氏玻子(Higgs Boson)(II)」 精选

已有 5572 次阅读 2015-8-16 15:40 |系统分类:科普集锦|关键词:学者

(承前文)在歷經近 2000 兆次的「中子-中子」碰撞實驗後,結果顯示(見下圖;source:http://edition.cnn.com/2013/03/14/tech/innovation/higgs-boson-god-particle/index.html)中子在幾近光速下,與另一中子碰撞的瞬間,「奚氏玻子」即刻衰變(decay)成一對Z-玻子(Z-boson)」。其中一個Z-玻子」又衰變成一對「電子(electrons; 即圖中綠色的光束)」,而另一個Z-玻子」則衰變成一對「介子(muons;即圖中橘紅色的光束)」。依這些「電子」和「介子」被激發出來的軌道角度計算,此「奚氏玻子」的質量等同於 125.8 億電子伏特(GeV),約為質子質量的 126 倍,與「標準模型」所預期的質量完全脗合。(註一:「中子-中子」碰撞時,每秒可達 6 億次;註二:平均每一兆次碰撞,才能命中且激發出一個「奚氏玻子」,有人以十公里外,讓兩根縫衣服的針迎面相互對射之命中率,來比喻此種「中子」對撞的命中機率)。

另外,必需一提的是,科學家們為了找尋這個「奚氏玻子」,迄今一共花費了約 132.5 億歐元,而每年光是日常固定的運作費用就要 10 億歐元。所以說「大科學」是「錢」堆出來的,「一流科學」則幾乎是「無價」的。總之,2013 年的 Pi Day2013314日),和往年格外不同,因為這一天,人類在科學史上又增添了輝煌的一頁,那就是,科學家們終於證實了「奚氏玻子」的存在,也解決了困擾科學界數十年來的最根本科學問題。至此,「標準模型」理論可說已完全被確立,也就是說,科學家們經過近半世紀以來,對宇宙中各種基本粒子的尋尋覓覓,暫時也算告了一個段落,接下來該何去何從,再再的考驗著「粒子物理」學家們的智慧。

為此,其中一項最佳選擇就是設法提高 LHC 加速器的能量,因為在更高能量下,它可以讓科學家們更加趨入原子的核心,在更小尺度下檢視物質的結構,這就好比是你(妳)使用顯微鏡去觀看物體,在更高的倍率下,你(妳)當然可以期望能看到在低倍率時看不到(清楚)的東西,這也就是為什麼在其證實了「奚氏玻子」的存在後,科學家們毅然決然的決定將其停機并予以升級的原因。另外,就粒子加速器(particle accelerator)而言,在更高的能量下,質子碰撞後就能產生更多質量更重的不同粒子,而且更能提升其偵測到這些粒子的機率,以這次升級版後的 LHC 而言,其質子碰撞的次數由之前的每秒 6 億次,增加到了 10 億次,迄今年五月重新啓用後,到七月底時,科學家已收集了超過 10 兆次以上的碰撞訊號。

當然,要指出的是此升級過的 LHC 加速器,其能量雖然增強了 63%,但對質子的碰撞速度而言,只是增加了 5 m/sec (由原先的 299792449 m/sec 增加到 299792454 m/sec),讀者千萬不要輕忽這區區 5 m/sec 的增加,它可是目前科學家們能達到的最高能耐了,主要是因為此速度已幾近光速(299792458 m/sec),而我們知道光速是宇宙的上限,若要再提高質子碰撞䝰的速度,刞所需要的能量是指數倍增的。更何況質子在此極高速下,其「相對論質量(relativistic mass)」已逼近無限大了(見下圖説明,creditViva Solutions。其中 Mo 為質子靜止時的質量,M 為「相對論質量」,v 為質子相互撞擊時速度,c 為光速,因此當 v 趨近於 c 時,M 就趨於無限大了)。

另外,雖然此 LHC 才剛重新啓用兩個月,但已有兩項針對「超對稱理論(Supersymmetry;簡稱 SUSY)」適用性的初步成果,引發了粒子物理學界的熱烈討論,在此寫來與讀者分享。首先,我們知道「標準模型(Standard Model)」一般咸被認為是基本粒子物理學的主流理論,它可以用來完美解釋物質的組成及上述宇宙中的四種基本的力,但其也有不足之處(例如:無法說明佔宇宙組成 95% 以上的「暗物質(dark matter)」和「暗能量(dark energy)」以及「引力」)。因此「超對稱理論」的提出,即是用來彌補前者的不足,該理論(見下圖中左邊的圖解和說明,from http://www.nature.com/news/lhc-2-0-a-new-view-of-the-universe-1.17081)認為宇宙中的每一種基本粒子,都有另一個相對應的較重粒子,而且預期至少應有五種不同的「奚氏玻子」的存在,但迄今為止,除了已證實屬「標準模型」的「奚氏玻子」外,尚未能尋得它們的存在。

其次,科學家們也發現,粒子碰撞後,在衰變(decay)過程中,只有那些左旋(left-handed spin)的「夸克(quarks)」,能由 bottom quarks 轉換為 up quarks,這也和「超對稱理論」所預期的不符,因此以上這兩項初步實驗的證實,使得「超對稱理論」的提出倍受挑戰。最後,由於此旋轉(spin)的力是宇宙四個基本的力(即引力、電磁力、強力和弱力)之一,有論者進一步認為「我們的宇宙是左撇的(the universe is left-handed)」(有興趣的讀者可參考http://www.ibtimes.co.uk/cern-lhc-experiment-suggests-universe-left-handed-1513511  發表在 Nature Physics 上的論文:  http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3415.html)。(全文完)




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4 田云川 黄永义 文克玲 李颖业

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