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打开盒子-通往希格斯粒子之路

   时间: 2020-07-11   来源: 识别百科 阅读: 296


国立台湾大学物理学系 萧维翰

2012年7月4日下午,寻常台北溽暑,对地球上某个族群却意义非凡。我躲在檯灯下、萤幕前,与全世界关切物理的同好一起收看CERN的记者会,看着126GeV左右的那个峰值、Prof. Higgs泛泪的双眼──儘管犹有许多未定之数──“I think we have it. Do you agree?’’ 我的一厢情愿让我相信这天一座巍峨的里程碑在物理史上被立起。约两个礼拜前,我在系馆的布告栏的繁多演讲公告中瞥见了 Tonelli教授的头像,细看其来历与演讲资讯,竟然是关于 Higgs(-like) Boson 的演说!过两天,担任系学会副会长的同学询问我担任此活动侧写人员的意愿,寻不着理由拒绝的我一口答应下来──此即本文的前世因缘了。本文不涉及过分深入的物理内容,如标準模型(Standard model)组成、希格斯机制(Higgs mechanism)的细节等;而着重从侧面描绘整个演讲活动的进行,记录非物理、物理本科的听众与Tonelli教授在演讲中的互动,并参考笔者自身成长阅听的经验抒发一些感想。

活动前一个小时,自演讲厅外走过,厅外已聚集了许多民众,更有中小学的同学集体前来。开讲前演讲厅内更挤得水洩不通,连走道上都坐满了兴致勃勃的听众,引首企盼讲者Tonelli教授的到来。时辰一到,演说便随着Tonelli教授的简报展开,条目的安排十分有逻辑:首先简介我们寻找Higgs Boson的动机,从质量在物理学中扮演的角色、标準模型描述的世界、电弱作用的统一、标準模型中质量产生的机制(Spontaneous Symmetry Breaking and Higgs Mechanism)、我们所知的世界与我们所知的有限(Tonelli教授笑称他甚至无法跟他孙女解释我们周遭环境内究竟有什幺),紧接的是大强子对撞机(LHC)的简介,包括地景及两个大型实验团队CMS与ATLAS的位置、设施、侦测器的基本想法与工作人员等,以及我们寄予它的期待──一部强力的显微镜与强力的望远镜,带领吾人探索至小与至远的宇宙角落。随后,教授简略了提出了我们在实验中主要捕捉的三个衰变过程,并秀出图表讨论实验结果,清楚地指出透过那些迹象,两个实验团队得以做出发现新粒子的结论。最后,提点了一些未来的可能性,若此粒子真是众所期待的Higgs则如何,若不是又如何;也鼓励台下的我们,他口中下一个世代的物理学家,一同投入他们的探索历险。

打开盒子-通往希格斯粒子之路

主讲人 Guido Tonelli 教授 (Pisa大学; CMS 实验 2010-2011 发言人)

Tonelli教授对于时间的掌握十分精準,因而我们有十分充裕的Q&A时间。相较于专业的研讨会,科普演讲的问答时间,就我看来,是格外有趣的:从一般听众的提问,我们可以窥知普罗大众对于该议题的大概想像,以及他们的期待。儘管有时候问得并不精确或甚至荒诞,但对于专业人士也不失为是一个新的可能视角的开闢,同时也可以估计哪一类议题的科普读物吸引了民众的目光;另一方面,如何不涉及艰涩的数学术语而又能尽量精确的将物理图像传达给听众也让我们检视讲者对于整个问题的体会。长达一个多小时的开放问答,问题大多集中在几类:

(1) 牵涉到比较专精的量子场论知识。追溯笔者自身经验,高中时在成大听讲知道对称性破缺的概念时几乎不能想像,因为中小学对于「对称」的使用几乎侷限于图形的镜像与点对称;直到进入物理系才知道对称可以指称系统任何的不变性质,也从而较能明白其意涵。Tonelli教授与侯教授回答此问题时採用了一个很典型的墨西哥帽位能分布的图像,说明沿着帽缘的激发不需要能量而要往帽心爬升需要能量,粒子因而在此机制下获得质量;另外侯教授还举了磁浮列车所使用之超导体的例子,希望让听众日后在搭乘列车时能有更进一步的感受。(2) 则不只是观众们好奇的问题,自7月的记者会以来,全世界最多疑的一个族群,物理学家,也一直在探讨。儘管不少人抱持如本文开头“I think we have it. Do you agree?’’的乐观心态,然而,最保险地,我们大概只能说:「我们找到了一个玻色子。」要检查此粒子是否符合Higgs Boson在理论上的所有性质,仍有好几年的时间要走。(3)又夹杂了超弦理论、额外维度的观测、对于暗能量的解释等等议题。Tonelli教授回答得很保守,大意为这个发现其实无法总结太强的结论,比较正确的看法应该是:「这个粒子的发现为我们开了一扇窗,一扇通往新物理的窗,世界正等着我们往外看去。」

现场发问十分踊跃,教授也不在意超时热心回答。除了上面三个较热络的主题,也有同学问及Higgs Boson 与重力子(Graviton)的关联、超对称(supersymmetry)议题、LHC接下来的任务走向、团队的工作气氛、生活型态以及关于异国的合作互助,其中Tonelli教授表示他们之所以能超越预期的进度,很大部分要归功于来自不同地区最优秀的青年学子、年轻研究员们相互的切磋成长。提及工作的热情,教授微笑地表示:「从事科学是幸运的,今天即便没有薪水,我也愿意投入这个工作;更何况这工作是给薪的!」

会后与几位学弟妹闲聊,或许对讲题的内容也是懵懵懂懂,但见他们的眼睛充满了无限的憧憬与景仰,倒映着Tonelli教授的学者风骨。谁说今之学者为人?系内修课的岁月,许多同侪迷失或窒碍于课业的繁重与生活中细碎的杂事,少了心力去思索自己要为之燃烧的生涯,仅能盲目地点水,得之为幸,不得乃命。我们总是被鼓励去追求卓越,却鲜少考虑同时是否真切地拥抱了热情。大三的笔者虽未敢称老,却也已辞别了少年岁月(以teen计岁的日子哪),关于生活的故事,能带着的只怕愈发稀少。然而,就如我现在仍记得在成大的那场演讲般,我相信(或说期许)无论将来走在哪个领域的小径上,2012年分别在7月与12月的两个午后都将被我刻划在记忆的碑拓上,难以抹灭。

是晚笔者与同学漫步于蒲葵道上,被两个迈开大步的长者超前,我定睛一看,竟是Tonelli教授与侯教授,身影颀长,沿着夕照走去。20世纪的门即将阖上了,而21世纪的窗帷正掀,不待我们蹉跎。

本文为《发现希格斯粒子: 在大强子对撞机回溯宇宙的起源》科普演讲特稿。

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