遇見科學

 
相信許多人在這幾年都聽過上帝粒子這個名詞，也看到位於瑞士和法國國境交接處神祕的大型實驗裝置─大強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）正在實驗的新聞，到底什麼是LHC與上帝粒子？讓我們回到這一切故事的源頭。

從二十世紀初期，物理學進入原子核世界的探索後，其目標不外乎是物質如何被組成，以及基本組成的粒子之間交互作用為何。這樣的研究，被稱作是粒子物理學或是高能物理學。實驗方式基本上是讓兩群高速運動的微小粒子對撞後，分析探究其中是否有更小的基本粒子組成與其特性。

那為什麼是用高速的粒子對撞呢？台北市立大同高中物理教師陳文楠以汽車舉例，假設今天有兩部汽車分別以時速十公里速率迎面對撞，結果有可能只是車身烤漆掉了一些，但我們無法知道車子內部的情形。但如果對撞的速率分別提高到時速一百五十公里，則有機會在現場查驗到從車子內部飛出來的一些物品，例如汽車座墊、後照鏡碎片、安全氣囊等。藉由一次次檢視高速對撞後飛出來的物品，就有機會逐漸還原一台汽車的內部組成。同樣的概念下，若要了解已知的基本粒子是否有可能由更基本的粒子組成，讓這些基本粒子以高速對撞，並加以分析其結果，便成為一個重要的實驗方法。因此，從二十世紀中期開始，全世界各國便開始紛紛建立起粒子加速器。

加速器中主流的環形加速器，是建造一個圓形的軌道，讓帶電粒子束在軌道內被抽成高度真空的環境下進行繞行。軌道中將會遍布磁鐵，是為了讓帶電粒子束在軌道中順利轉彎與聚焦在一起。帶電粒子束轉彎時會沿著瞬間運動的切線方向放出電磁波，能量因而降低，因此，環形加速器還需設計讓帶電粒子束可以補充或增加能量等裝置。

圓形軌道周長達二十七公里的大強子對撞機，是由歐洲核子研究組織（CERN）建造完成。該組織由歐洲二十個國家組成的大型科學團隊，由1995年開始建造LHC，並於2009年完成試運轉，可提供十四兆電子伏特能量的加速器。目前全世界有將近一半的粒子物理學家都聚集在LHC，展開一項項的科學實驗，其中最引人注目的，就是被稱作上帝粒子的希格斯粒子發現與否。

為什麼希格斯粒子這麼重要呢？那是由於粒子加速器的大量建造，許多比質子還小的基本粒子紛紛在對撞實驗中被發現，數量高達數十種。到了一九六○年代，物理學家葛爾曼便提出了夸克（quark）的概念，他認為這許多比質子還要小的基本粒子，是由更基本的粒子去構成的，最後實驗證實了葛爾曼的理論。因此，在夸克理論帶領下，粒子物理學家發展出一種目前主流的學術理論來解釋物質的組成，它被稱為是「標準模型」。標準模型就像是元素週期表可以解釋化合物的組成一樣，它可以解釋自然界目前已知的四種基本作用力中的強作用力、弱作用力及電磁力，但最大的缺憾是它無法解釋物質質量的來源，也無法與重力做一個完美的統合。

為彌補上述缺憾，物理學家希格斯提出希格斯場與希格斯粒子來解釋物質質量的形成機制。根據計算，LHC可以提供的粒子撞擊，應該可追蹤出希格斯粒子。因此，經修補後的標準模型，唯一尚未被發現的希格斯粒子，經理論預測應該要在LHC的高速粒子對撞中現身。所以，LHC是否能驗證希格斯粒子的存在與否，便成為近期物理學界最重要的焦點了。

不管如何，LHC的建造與相關實驗的進行，讓我們經歷了人類科學史上重要的時刻，也將會讓物理學界熱鬧好一陣子。相信，未來數年內，LHC及其相關實驗仍將會常常占據科學新聞的重要版面，讓我們期待許多有趣的新發現吧。