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粒子物理的聖杯——希格斯粒子【張嘉泓|物理好好玩S2EP05】

【物理好好玩S2EP05】粒子物理的聖杯——希格斯粒子

 

我通常不用安眠藥入睡,但有時也需要吃一顆抗焦慮的史帝諾斯。

 

如同普魯斯特在「追憶似水年華」所寫:有時已睡著了,卻會被該要準備入睡的念頭喚醒,該把我以為還在手上的論文放好,該要關燈,於是就醒來了。剛醒來那一瞬間,普魯斯特覺得自己就活在睡前所讀的書之中,教堂、四重奏、法蘭西斯一世與查理五世的爭霸。這個感覺像魚鱗一般重重壓在眼睛上,阻斷他看見周圍漆黑的房間。直到印象慢慢遠去、不再感覺得到,漸漸如輪迴重生,於是那個世界就消失了。但,我醒來後,反而論文中的世界,總是越來越清晰。因為這個世界真的很令人擔心。

 

科學家有時如莊子的大樹,大而無用。讓我們擔心、睡不著的,不是烏克蘭的戰事、不是covid的疫情、也不是現在的油價或蛋價。聽眾可能會猜,那是不是三月節目所介紹、去年十大發現之一,緲子大於預期的磁性,讓我寢食難安呢?這的確是個大問題,緲子如同一塊帶著負電荷的磁鐵,而作為基本粒子、它是沒有大小的,不像一般磁鐵內部非常複雜,所以科學家可以確定計算緲子的磁性強度。像是與緲子類似的電子,磁性的計算值,就有九位數字與測量值完全吻合,差距只有誤差的十分之一,被公認為科學預測準確度,世界紀錄的保持者。但緲子似乎比較神秘,橫跨二十幾年的兩組實驗,包括去年最新的結果都顯示,緲子的磁性就是比預期來得大,差距約是百萬分之一。這個數字雖然感覺非常渺小,卻已經是誤差的四倍。

 

希格斯粒子在提出五十年後,終於在2012年被發現

 

但讓我失眠的並不是這個問題。科學家會斤斤計較這麼微小的數字差距,反而凸顯了粒子物理的成功。普魯斯特的小說,有大量篇幅是追憶童年的時光。對於我,十年前就是這樣一個黃金年代。希格斯粒子在提出五十年後,終於在2012年被發現,證實了物理學家所謂的標準模型,是真有這麼回事。標準模型,有點唯我獨尊,比較適當的說法,應該叫基本理論。但兩者都給人一種自慢自傲的印象,所以研究基本粒子的人,在物理圈人緣很差。我們也不是故意的,因為我們的討論,真的比較基本。

 

去年十一月的節目中,我說明了:所有的物質都可以分割為各種原子。原子由不同數量、但完全相同的電子、以及質子、中子組成,而質子與中子又可以分割為更小的夸克,夸克有六種口味,三個夸克組成一個質子。無法再分割的電子,有兩個長得很像、但較重的孿生姐妹,我們的老朋友緲子就是其中一個。今年二月的節目介紹了:原子核的放射性衰變,會產生一個電子,加上一個惡劣的微中子,它也是基本粒子。就這樣。夸克兄弟、電子姐妹、微中子,就組成了整個宇宙、所有物質。我常說以上的名單就是宇宙這場大戲的所有角色,所有的自然現象,歸根結底,就只有這一組卡司。而就像戲中的人物總是相互算計,角色也要有彼此的交互作用才會有戲。基本粒子彼此之間,存在大家熟悉的電磁作用,而放射性衰變現象則是來自弱作用,再加上重力,以及將質子、中子黏成原子核的核作用,整個宇宙、所有的動作與情節,分解開來也就這樣了。你說是不是很基本。

 

這個精巧唯美的架構,卻奇異的缺少一個最基本的成分:質量

 

這些交互作用,表面上天差地遠,但物理學家格拉肖在1960年,竟然成功的、把電磁作用,與弱作用統一起來。原來,它們是一個整體的兩個部分,好像兩個組件合體成一個金剛超人。物理學家真是簡單控。使用的工具,就是我在第一季第一集提到,楊振寧美不勝收的規範理論,特點是交互作用會有媒介的規範粒子,例如電磁作用的媒介粒子就是光子。去年我是這樣說的:「為了成就規範對稱這樣一個抽象的數學原則,規範粒子就不得不出現在舞台上。」這大概是物理之美的一個極致表現了。

 

但這個精巧唯美的架構,卻奇異的缺少一個最基本的成分:質量。夸克、電子姐妹、實際上各有輕重,差別很大,但理論上,我們竟無法給他們質量。聽眾可能會問:這不是開玩笑嗎?怎麼可能到了這個時候,才發現沒有質量呢?好像要上台了才發現沒有戲服。物理學家的理由其實也容易理解:劇本改了,原來準備的戲服就派不上用場。這裡也是,在六零年代,我們對這些粒子與作用有了進一步的認識,原來以為可行的質量,現在才發現行不通了。更具體一點說,根據極致美學的規範理論,基本粒子應該都沒有質量才對,是不是很像伸展台偏好紙片模特兒呢?但這顯然不切實際,於是,物理學家開始找辦法,覓創意,可不可以有一個比較不尋常的重訓,能夠臨時增重,但又保持美感呢?

 

真空中看似毫無一物,但並不代表就單調乏味

 

結果我們跟隔壁辦公室的固態物理學家學了一招:他們早就知道了,當電子在某些導電的固體之中運動,質量會比在真空中多一些。那麼,如果真空本身也很特異而不尋常,原來應該是無質量的基本粒子,會不會也因此得到一點質量呢?試想:當一個小球在水中移動時,表面會黏著一些水,移動起來質量就比在空氣中來得大。如果觀察的魚從沒有離開過水,那它沒有道理不相信,小球比較重的質量就是它真實的質量。不尋常的真空或許也讓基本粒子增重了,而我們也像水裡的魚,把幻象當成了事實。這個辦法被格拉肖的高中加大學同學溫伯格,運用到他的電弱統一理論,這篇1967年的論文只有短短兩頁,正式的揭露了標準模型的理論。原來毫不相關,各個基本粒子的質量,現在有一個共同的來源。而且,真空中看似毫無一物,但並不代表就單調乏味。它比我們所想像,要複雜而有趣得多。心經說:色即是空,空即是色,原來空、真的有深不可測的色。

 

但這個不尋常的真空,我們如何能證明它的存在呢?這等同於要水中的魚,不離開水就證明水的存在。說起來也並不是很難,只要魚兒們如海豚一樣發出聲音,產生的聲波在水裡傳播,這就證明了水的存在。經過嚴格推導,這個不尋常的真空,效果真的與平靜無波的水類似,只是真空中當然沒有水或任何物質。而水中激起的聲波,則對應真空中出現一顆新的基本粒子。

 

不動的水對應真空,水中激起的聲波對應粒子,溫伯格把它命名為希格斯粒子,這是物理學家希格斯在1965年首先提出來的,應該是唯一以科學家名字命名的基本粒子。這個粒子很重,所以即使不尋常真空遍布各處,這個粒子得有大能量才能碰撞產生。它的妙處就是作為不尋常真空存在的證據,測量它的性質,就使我們能探測周圍這個不尋常真空的各種特性。

 

發現希格斯粒子比起在稻草堆中找一根針,還要困難多了

 

所以一旦發現了希格斯粒子,就完整證實了標準模型,有人形容為「最後一片拼圖」,有人稱它是「粒子物理的聖杯」。但大家真的沒想到要這麼久,從1965年提出,經過半個世紀,都無法找到希格斯粒子,這還真是如朝聖一般的漫長旅程。原因是它的確還蠻重的,需要較大的能量才能產生。對撞的能量加大之後,背景、雜訊跟著就增加,訊號也就被埋沒在裡面。我們常說發現希格斯粒子比起在稻草堆中找一根針,還要困難多了。但歐洲大強子對撞機LHC的科學家辦到了,2012年希格斯粒子的發現,真的讓大家鬆了一口氣。於是在夸克兄弟、電子姐妹、微中子之外,一個新的基本粒子出現了。隔年,希格斯就拿到諾貝爾物理獎。

 

讓我睡不著覺的原因,正是希格斯粒子:它、太過成功了。就從2012年之後,在加速器中測量它所有的性質,幾乎每一項都完全與理論預期吻合。你知道嗎?事情太順利了,反而令人十分沮喪。

 

其實希格斯粒子作為基本粒子是一件很糟糕的事。格拉肖就曾公開嘲笑,他的電弱統一理論如同一座美麗的城堡,同學溫伯格加上的希格斯粒子,就是城堡內的廁所,城堡的確需要廁所,但它也就是一間廁所。撇開這些尖酸的話,希格斯粒子真的比較令人不安。原因是它有特異能力,所以有嚴重的自然性問題。讓我用一個比諭,來形容一下這個技術性的結果:在之前的節目跟大家說過,因為愛因斯坦的質能公式E=mc^2,越重的粒子需要越大的能量,才能產生,所以物理學家一般都相信,還有許多非常重的粒子可以存在,但產生所需能量遠高於現有加速器的能力,沒被發現。一般來說,如同漂浮各處的鬼魂一樣,它們沒有什麼可以被觀察到的效應,因此不予理會即可。

 

十年來,希格斯粒子一個人就佔據了整個舞台

 

但希格斯粒子的性質,與其他的基本粒子不同,它有點像能看到鬼魂的特異人士,會對這些可能存在、極重的粒子非常靈敏。這些極重粒子雖然在加速器中還無法製造出來,但卻會偷偷的出力,對希格斯粒子的質量,產生非常大的影響。原則上、希格斯粒子應該很自然的、與影響它的這些極重粒子一樣重才對。但事實不然,希格斯粒子竟然能保持相對如此輕盈。如同一個很苗條的大胃王,這簡直就是一個奇蹟。奇蹟自然是很不自然的事。

 

希格斯粒子這個不自然感,在粒子都還沒有發現之前,就已經非常困擾物理學家。我們曾想出許多精巧的設計,或許希格斯粒子根本就不是一個基本粒子,而是由更基本的、對極重粒子不靈敏、很自然的成分組成。我當年的博士論文,就是猜測希格斯粒子其實還可以分割為夸克。

 

希格斯粒子這麽長時間沒有被發現,當初大家也曾經對它的存在產生懷疑。也許上帝也和我們一樣,不喜歡不自然的東西。有非常多研究開始探索,不尋常的真空,其實並不一定需要希格斯粒子才能產生,若是有彼此作用很強、但很小的粒子,也會形成我們所需要的真空。以上種種猜測,就被統稱為「超越標準模型」。

 

當2012年希格斯粒子終於被發現,證實了大強子對撞機的強大精確性,粒子物理學家就開始公開的私心期待,它可以進一步很快找到,這些超越標準模型的跡證,使希格斯粒子變得自然一些。但十年來,希格斯粒子一個人就佔據了整個舞台。它的缺點依舊存在,但所有能解決、緩和、沖淡這些缺點的機制或粒子,一個都沒有出現。好像好不容易尋到的戀人,此時我們才發現與他單獨相處,竟如此空蕩寂寞。我們似乎不得不將所有的未來,交付給這麼一個不自然的對象。這種感覺,好像不是一個憂傷的少年,望著漆黑的夜空,幻想著還沒有影子的幽魂;而更是一個已經走過漫長旅程、克服無數困境的旅行者,在前面似乎歷歷在目的終點客棧前,向下望著阻斷路途、黑暗而未可知的斷崖。

 

或許還有一處比原來想像的終點、更加美麗的幽境

 

但也或許、讓我在暗夜睡不著的,不是憂慮與失望,而是一種怦然心跳的悸動、期待。我內心的某處,一定深深覺得:斷崖下不遠,或許還有一處比原來想像的終點、更加美麗的幽境。畢竟標準模型現在已經開始出現更具體的難題。1998年微中子被發現且確認具有質量,這的確是令人又擔憂、又振奮的事。在現在的標準模型中,即使有不尋常的真空,微中子還是沒有質量的。因此嚴格說,超越標準模型事實上已經來臨了。也許緲子大於預期的磁性,真的也是嶄新物理的跡象。四月22日,經過兩年停機整備升級,大強子加速器重新開始運作,並將展開更高能量、更精確的碰撞測量。同時,有幾個新的對撞機建造計畫,包括日本與中國,都有可能在不久的將來推出。很快的,我們將能對希格斯粒子的性質,做到非常精細、全面的測量,超越標準模型的蛛絲馬跡都將無所遁形。那麼希格斯粒子的缺點,也許是一個自然給我們的暗示、一個秘密的訊息:希望就在轉彎後會出現,別停在這裡,趕快繼續向前努力吧。

 

這讓我想起,我研究所的指導教授喬治艾,在一本1993年出版、有關希格斯粒子的論文合集中,寫過一篇短文,標題叫:「如果希格斯粒子被發現了,我將非常失望。」這有點故意的放冷,但你可以看出物理學家非常複雜的心情。他說希格斯粒子其實是一個相對單純而保守的模型。如果只有希格斯粒子,自然將喪失一個寶貴的機會,教導我們、揭露給我們、更有趣而新奇的物理。

 

自然應該不會這麼心懷惡意才對。

 

下一次的物理好好玩,我將從無線充電談電磁場。感謝各位的收聽,請持續鎖定由【鏡好聽】製作播出的《物理好好玩第二季》,我們下次見!

 

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【物理好好玩S2EP03】遍地開花的科學創新

 

【本集節目是由鏡好聽製作播出的《物理好好玩》第二季】 每月第二個週二上線全新一集 

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圖:東方IC    片頭製作:曾海芬 

錄音師:孫藝庭 後製:劉寶苓     製作人:林文珮 

 

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