上帝的粒子：希格斯粒子的發明與發現

深入導讀：希格斯粒子奇異之旅 高涌泉
序
前言
序 幕 組成與物質
第一部 發明
　第一章 如詩般的邏輯概念
　第二章 不是個好理由
　第三章 無法理解這理論的價值所在
　第四章 對的想法，卻應用錯了問題
　第五章 我辦得到
第二部 發現
　第六章 捉摸不定的中性流
　第七章 非 W粒子莫屬
　第八章 放手一搏
　第九章 美妙時刻
　第十章 莎士比亞的問題
尾 聲 質量從何而來

希格斯粒子奇異之旅
高涌泉／台灣大學物理學系教授
二○一二年七月四日，歐洲核子研究組織（CERN）主任霍爾（Rolf-Dieter Heyer）主持了一場全球矚目的學術發表會，隨後召開記者會，宣布CERN位於瑞士日內瓦的大強子對撞機（LHC）的兩個實驗團隊ATLAS與CMS，發現了一個質量約125 GeV的嶄新基本粒子。這個粒子的性質很類似物理學家期盼已非常久的希格斯粒子，使得大家的興奮之情達到最高點。各式媒體大幅報導了這個近幾年來最重要、也最貴（LHC加速器與ATLAS、CMS兩個偵測器的建造共花費近百億美金）的科學發現，讓一般民眾多少也知曉這是難得一見的歷史事件。
去年CERN在宣布這個發現時，還很謹慎地說他們尚不能肯定這個新粒子就是希格斯粒子，所以只稱呼這個粒子是「類希格斯粒子」。粒子理論學家早從量子場論架構推論出希格斯教授與其他人於一九六四年提出的「希格斯機制」必須存在，否則無從解釋弱交互作用理論的某些特性（如低階計算的合理性，即可重整化性）。粒子物理中的「標準模型」即是實現希格斯機制的最簡單理論，這個理論只包含單一個希格斯粒子（我這裡稱之「標準希格斯粒子」）；物理學家也可以建構更複雜的理論來體現希格斯機制，在這種狀況下希格斯粒子可能就不只一個，其性質會和標準希格斯粒子有些微差異。所以「類希格斯粒子」的出現固然符合物理學家期待，因為這表示希格斯機制是對的，但是大家又希望這個粒子最好不要是「標準希格斯粒子」，因為如此一來我們才能抓到標準模型的缺失，粒子物理才有繼續前進發展的依據。
所以，自CERN去年的宣布至今，大家關注的問題即是「類希格斯粒子」到底是不是「標準希格斯粒子」。在去年七月之後，實驗團隊已累積了更多的數據，分析的結論是「類希格斯粒子」的確愈來愈像是「標準希格斯粒子」，這是讓人既意外又有些失望的結果。在去年的數據中，「類希格斯粒子」衰變成兩個光子的機率超過標準模型的預測，讓不少人相當興奮，但是最新的數據卻顯示實驗與理論的差距縮小了；如果將ATLAS與CMS的結果平均起來，實驗與理論在誤差範圍內，大致相符。
在標準模型出現之初，物理學家使用希格斯機制的主要動機在於賦予傳遞弱交互作用的W粒子與Z粒子質量，（當初希格斯以及其他人提出希格斯機制的靈感就來自於前人對於超導體中「麥斯納效應」的研究，而麥斯納效應指的正是光子在超導體內部帶有質量的狀況），這種機制讓理論具有上面提到的可重整化優點；後來物理學家又將它推廣至賦予夸克、緲子、電子等基本費米子（即不包括質子、中子等組合費米子）質量；就基本費米子的質量來源而論，這種做法固然有某些優點，卻沒有邏輯的迫切性。但是既然「標準希格斯粒子」的證據愈來愈多，我們便確知基本費米子的質量也與希格斯機制密切相關，這是ATLAS與CMS實驗最重要的成果。
我們已經從LHC這個巨大加速器學到很多東西，但是遊戲還沒結束─現在LHC正停機檢修，兩年後再次啟動時，能量將提高1.5倍以上。誰能肯定地說目前的結論未來不會再受到修正呢？屆時我們就更清楚「標準希格斯粒子」到底有多標準，以及它是否還有其他更重的兄弟姊妹。
希格斯粒子的故事是粒子物理最奇特、精彩的故事，涉及人物之多前所未見，其中之曲折與緊張不亞於偵探小說。本書完整地說明了這個粒子至今約五十年的一生，可以滿足想更深入了解希格斯故事的讀者。