希格斯粒子系列》真相揭曉的時刻到了

真相揭曉的時刻到了
國立臺灣大學物理學系高涌泉教授/國立臺灣大學物理學系高涌泉教授責任編輯

全世界引頸盼望的希格斯粒子到底存不存在？

第36屆國際高能物理會議於7月4~11日在澳洲墨爾本舉行。位於歐洲日內瓦附近的大強子對撞機（LHC）的兩個實驗團隊：超導環場探測器（ATLAS）與緊湊緲子螺管偵測器（CMS），預定在會中宣佈各自偵測器於2012年所蒐集的最新數據，屆時大家就知道到底全世界引頸翹望的希格斯玻色子（Higgs boson）是否真的存在。這將是個價值近百億美元的答案，大家的心都懸在半空中，等了幾十年，真相終於要揭曉了！

其實ATLAS與CMS在2011年底已公佈了該年數據，兩者皆看到某些希格斯粒子存在的跡象。去年，LHC將質子加速至帶有3.5 TeV（TeV＝兆電子伏特）的能量（即質子靜止能量的3700倍，此時質子速度約是光速的0.999999963倍），然後讓兩束如此高能量的質子對撞，ATLAS與CMS就在其偵測器中觀察碰撞後出現的東西。譬如說，他們在一些碰撞過程看到有兩個高能光子射出，分析後，認為其

中有幾次應是質子相撞後產生了質量約125 GeV的希格斯粒子（ATLAS 說是124 GeV，而CMS 說是126 GeV；GeV＝十億電子伏特），接著這個希格斯粒子很快衰變成兩個高能光子。不過由於所捕捉到的高能光子絕大多數只是碰撞的一般產物，必須累積很多數據，才能判別訊號的真假。

除了雙光子，希格斯粒子還有其他衰變管道可供查驗。總之，ATLAS與CMS 雖然從2011年數據找到了希格斯粒子的訊號，但是這些訊號仍有約千分之一的機率來自「背景漲落」，完全無關乎希格斯粒子。一般人可能會認為千分之一是很小的機率，但粒子實驗學家知道，不少原先以為只有千分之一出錯機率的發現後來還是隨風而逝。有人這麼比喻：你不會願意搭上每飛行千趟就會墜毀一次的飛機。所以現行的共識是只有當出錯機率降至約350萬分之一以下時，實驗學家才會認定找到了無可反駁的證據。

今年（2012年），LHC將質子能量提升至4 TeV，如此可以稍微提升產生希格斯粒子的機率；更重要的是兩個實驗團隊今年所記錄的質子碰撞次數已和去年一整年相當。所以如果今年的數據也顯現了與去年一樣的效應，那麼實驗學家應該就可以確認找到了希格斯粒子。當然，嚴謹一點講，我們只能說ATLAS 與CMS發現了某種自旋為零的新粒子，但它究竟是不是標準希格斯粒子，還有待實驗學家進一步研究其各種衰變模式與交互作用，查驗是否與模型的預測完全一致。最簡單的標準模型只有一個希格斯粒子，我們可以加以推廣以包容數個希格斯粒子。假設此粒子最終證明不是最簡單的希格斯粒子，則它可能來自更為複雜的希格斯機制，甚至它可能根本不是希格斯粒子，因為它與賦予粒子質量的希格斯機制一點關係也沒有。

反之，如果今年的數據完全顯現不出去年看到的跡象，那麼我們便得面對標準希格斯粒子可能不存在的難題，因為除了在125 GeV附近的一小段能量區域，去年的數據已經排除了質量低於600 GeV的標準希格斯粒子的可能性。如此一來，我們只有期待當LHC以其最高設計能量（質子能量為7 TeV）運轉時能出現新線索，以引導理論進展。

我們從百億美元的答案學到什麼？如果125 GeV希格斯粒子的跡象終究獲得證實，我們會讚歎理論的威力：希格斯機制是我們所知能在數學上圓滿處理電弱交互作用的最好辦法（特霍夫特與維特曼正是因證明希格斯機制在數學上的合理性而獲1999年諾貝爾物理獎），而果不其然，希格斯機制所要求的希格斯粒子真正存在，真是人算不輸天算！這項數學邏輯的成就，高度將不亞於狄拉克在1930年代初從其著名的相對論性方程式推論出正子的存在。

但如果ATLAS與CMS發現2012年的數據否決了先前的跡象，許多一流理論物理學家堅信絕對存在的希格斯粒子其實並沒這回事，這將再次提醒我們人算終究不如天算，物理畢竟是經驗科學，沒有現象支持的理論絕不能當真。我們會學到什麼？初步的答案就要揭曉了。

本文發表於《科學人》，2012年7月。