文：巴特沃斯（Jon Butterworth）

9.8 粒子物理學的撞出種粒未來

這是個颳著風雨的漆黑夜晚。而且還很冷。上帝實這

冰雹偶爾會撞上我房間的粒多年老舊石框窗，反彈的前理力道相當猛烈，這間房不小，論學卻沒什麼擺設。家便今天據證dxf转dwg 源码牆壁是預測用實驗數石頭建的，地板也是出希存，上頭還沒有鋪地毯。玻色房內有台品質不良、撞出種粒仍堅守崗位的上帝實這暖爐，持續不懈地溫暖著半徑三十公分左右的粒多年範圍，精神可嘉。前理我蜷縮在黃銅做的論學大床上，努力想要找到無線網路的家便今天據證訊號。冰雹融成了冰水，流進了窗框內。

這是二○一三年一月，我身在義大利埃里切市的科學中心；這座中心的基礎是一座隱世村落的建築物群，位在西西里島西南端的一座山上。我和歐洲核子研究組織（CERN）其他成員國的代表，以及幾個大型實驗團隊、美國和日本等世界各國合作夥伴與組織的代表，一起被關在山頂上一整個星期。在解脫之前，我們的任務是要在新的歐洲粒子物理研究策略上達成共識。有很多的地方須要更新。比方說微中子的θ₁₃角度測量結果，這對未來相關領域的研究有深遠的意義，是和前一年夏天的希格斯粒子大發現截然不同的成就（總覺得夏天離我好久遠）。

想要打造一個大型粒子物理研究計畫，源码太阳笳並從中獲取科學知識，須要花費許多的時間和金錢。今天年紀太小，還不能上學的孩子，總有一天會涉足實驗數據的分析；也有很多人現在做了決定，卻無法在有限的人生中見到成果。由此可知，根據策略做出正確的抉擇、並堅持遵守計畫，是很重要的事，否則大家成不了什麼事。這次的決策有許多的規範與限制，由許多見多識廣的自利團體討論後下定論；每個團體都想得到對自己最有利的結果、也希望最終的決定能幫到他們重視的研究領域。

有幾場討論是在少數幾間小小的餐廳舉行，會議召集人說服餐廳老闆特別在淡季為我們開門，大家聚在熊熊燃燒的火爐旁，一面吃著義大利麵、喝著紅酒，一面談話。我覺得這是個不錯的討論方式。外頭的風雨呼嘯不斷，我們聚在火爐邊愉悅地享用美酒佳餚，士氣確實會大大提升。在沒有冰雹和濃霧的日子裡，埃里切市其實很美；除了有令人歎為觀止的夕陽佳景，從懸崖眺望的景色也帶給大家靈感、幫助我們想出了一些願景。至於馬薩拉廳內的吉他演奏……我難以定論是好是壞，不過馬薩拉葡萄酒確實能幫助大家思考。翡翠之家源码

大型強子對撞機有一些長程的升級規畫，目前仍未獲准執行，有的甚至才設計到一半而已。日本的團隊提出了一個大家該認真看待的案子，他們想要打造一座超導直線對撞機，滿心期待著歐洲研究團隊的回應——我們是否想要在這方面下工夫？大家願意出錢出力建造嗎？

還有微中子，大家需要新型的「長基線」微中子實驗設施來深入研究微中子震盪現象。目前物理學家已知的θ₁₃值相當大，我們有不小的機會能在風味震盪現象中，觀測到物質與反物質彼此不對稱的徵兆；如此一來，大家也許就有辦法解釋為何宇宙萬物沒有在大霹靂後沒多久就全部互相湮滅了。除此之外，微中子還有其他值得探討的題目——舉例來說，這種粒子是不是自己的反粒子呢？

話題回到能量更高的實驗上，有些人提出對撞緲子的構想。緲子可說是大質量版本的電子，除了享有和電子一樣的優勢，它比較不會因為同步輻射而損失能量（損失量為電子的十六億分之一倍，因為緲子是電子的兩百倍重）。然而緲子有個缺點，它通常會在二．二毫秒內就衰變了。

好在只要你能在夠短的時間內大幅提升緲子的速率，相對論的時間膨脹效應便可以為你爭取一些時間：粒子在高速移動時，時間流逝較慢，因此能撐比較久才衰變。可惜這件事並不容易達成。緲子在衰變時會放出微中子，是個很棒的副產品，代表我們能用高強度的緲子束來製造高強度的微中子束，幾乎不用花上什麼成本，绿豆5.16源码自然而然就能得到。

最後，大家決定了四個要優先執行的大型計畫。會議最後兩天我待在冰窖般的會議室內，瑟縮在「英國」的三角形名牌後，和其他成員針對文件中的一字一句細細討論，這是一篇文長三頁的傑作。為了紀念這項成果、也為了對我的同事表示尊敬，我在本書不會只是冒昧地略述這四項計畫的大意，一定要一字不差節錄出來：

(c) 發現希格斯玻色子的成果開展出大規模的研究計畫。我們一方面將致力於量測這個粒子的各項性質，力求準確，以進一步檢驗標準模型的效度；另一方面，這也是探索尖端能量物理現象的開始。在計畫付諸實行的過程中，大型強子對撞機的地位不容取代。歐洲學界應先將大型強子對撞機所有的潛力開發出來，我們首要任務包括升級偵測器、與提升對撞機的光度，以期在二○三○年之前得到原先設計的十倍數據量。未來，這項升級計畫也能提供大家更多機會研究振奮人心的領域——風味物理、以及夸克膠子電漿。

(d) 如果想要保有在粒子物理研究的前沿地位，歐洲學界須要在下一次研擬新策略之前，準備好提出大型強子對撞機下一代的加速器計畫；此項計畫需有野心與抱負，興建地點在歐洲核子研究組織。屆時大型強子對撞機將可提供十四兆電子伏特的實驗結果。在全球的樱花落源码研究浪潮中，歐洲核子研究組織理當扛下加速器計畫的研發責任，尤其是當代能量最高的質子對撞設備、以及電子正子儀器。為了設計新的實驗，我們必須要有堅實的加速器研發計畫，其中包含強力磁鐵與高加速梯度裝置等設備的建置，我們要與世界各地的國家機構、實驗室，以及大學院校共同合作。

(e) 目前有個很可靠的電子正子對撞機設計方案，能與大型強子對撞機互通有無。這座對撞機將能以前所未有的精準度量測希格斯粒子、與其他粒子的性質，而且實驗能量未來還有提升的空間。國際直線對撞機（International Linear Collider，ILC）的技術設計報告已完成，歐洲學界也參與其中、貢獻良多。日本粒子物理學界倡議在他們國內興建國際直線對撞機，對此我們由衷表示歡迎，歐洲學界也十分樂意加入本計畫的行列。歐洲學界很期待日本方面之後的提案，雙方會再進一步研討未來的合作形式。

(f) 微中子震盪現象的相關研究在短期內有顯著的進展，歐洲學界在這個領域有重要的貢獻；由此可見，長基線微中子實驗計畫在探索微中子的CP對稱破缺（CP violation）與質量級列（mass hierarchy）等問題確實有具體的科學效益。有鑑於此，歐洲核子研究組織理當發展微中子研究計畫，為歐洲開拓康莊大道，協助我們學界日後在微中子長基線實驗領域獲得一席之地。目前歐洲學界應該思考要如何參與美國及日本頂尖的長基線微中子實驗計畫，成為重要的合作夥伴。

現在你明白我在說什麼了。除了這四大計畫之外，報告中還有大概十二個段落在探討規模較小的研究、組織相關議題，或是惡名昭彰的「後續影響預估」。顯然，未來粒子物理學界還有不可勝數的任務要完成。

9.9 科學的未來

大家發現希格斯粒子之後，英國媒體界只出現了一點點的負面批評，這有點出人意料之外。我原本預期到會有一些人反彈，說些這樣的話：「把錢花在這些沒人看得懂的東西上真是浪費。」所幸至少在英國，絕大部分的民眾都很讚賞我們實驗重大的成就，大家一起享受新發現的興奮之情。這不只是曇花一現的新聞而已。社會上有許多人始終都和我們這群物理學家站在一起，大家一起興建對撞機、熬過首次技術性失誤、也經歷了過程中的謠言與徵兆，最後再一起迎接二○一二年七月振奮人心的成果發表會、共享諾貝爾物理學獎的榮耀。

至於有一位諾貝爾獎得主是英國公民、在蘇格蘭生活與工作的泰恩賽德人（Geordie）——謙宏大量的希格斯先生的這件事，猶如錦上添花。在一切的成就背後，每位英國人每年不過花了兩英鎊而已。用比較政治的觀點來看的話，基礎科學研究的經濟價值似乎也有顯著增長。當然，魔鬼永遠藏在細節裡，至少各黨派有很多政客目前對研究支出抱持正面的態度，我希望、也深信大型強子對撞機的崇高地位對此有所幫助。無論如何，大家應該要持續不斷地增進、並審視研究的經濟效益。

但也確實有出現一些很有意思的批評，說物理常常與實驗脫勾、實驗又總是太過於理論導向；這些人也嘲諷萬有理論只是供養一個世代理論學家的痴心夢想，這些理論學家預測的事情從來都無法用數據實證。這些說法其實不是新鮮事了，就連在理論物理界也有出現過。加拿大安大略省圓周理論物理研究所的斯莫林和哥倫比亞大學數學系的沃伊特，都在二○○六年出書，用同一個論點批評弦論；在大家發現希格斯粒子不久後，巴戈特（Jim Baggott）也出了一本《告別真實》（Farewell to Reality），他在書中也闡述了類似的觀點。

有個比較合理的論點，理論粒子物理可能真的太專注於單一方向——這裡說的就是弦論與它的延伸理論。過去也發生過同樣的事情。正如《衛報》桑普爾在他的書《偉大的物理史》中說明的，當年布饒特、恩格勒、希格斯與其他幾位前輩在形塑他們的新觀念時，散射矩陣理論的研究熱潮席捲了整個物理界，量子場論被認為是過時的題目、有如一灘死水。布饒特等人的研究一開始在主流外，但實驗數據讓風向逐漸改變，他們的理論最後反倒成了主流。

永遠都該有人在創新，但大家可不能一股腦兒全往同個方向擠去——除非實驗數據告訴他們該這麼做。就我看來（只是個人的偏好），我比較喜歡致力於解釋真正觀察到的結果，目前有許多仍待說明的現象；相反的，我比較不偏好追尋萬有理論的道路。我也不會拒後者於門外，只不過和臆測多重宇宙的現象比起來，我比較想要花費心思去解開這個宇宙的奧妙。

想說明理論學家為什麼有時會異想天開、大家又為何需要他們天馬行空的能力，大型強子對撞機也是個很棒的例子。物理學家早在將近五十年前就預測希格斯粒子可能存在了，我們也花了超過十年的光陰打造大型強子對撞機；如果你把建造之前的研發準備過程都考慮進去的話，就大概是二十年之久。這的確是一段漫長的等待。因此，如果有人在這些年間去做別的事，用數學推導來臆測可能的現象，不但沒有什麼傷害，甚至還會有重大的貢獻。

在希格斯粒子大發現的背後談論這些事的確有點不合宜。很多年前，理論學家便預測出希格斯玻色子；今天，大家用實驗數據證實這種粒子真的存在，從根本上改變了粒子物理學；而未來，大型強子對撞機的實驗還會繼續帶來重大的進展。要構想新的實驗計畫，我們除了要有理論上的洞見，也需要先進的技術知識、以及政治協商的能力。日後的研究絕不會與現實脫勾，為了面對未來儀器在政治與技術方面的挑戰，大家必須時時關注真實世界，而實驗數據也讓我們對這個宇宙有更多的了解。

書籍介紹

本文摘錄自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場（希格斯粒子發現十周年紀念版）》，貓頭鷹出版

作者：巴特沃斯（Jon Butterworth）
譯者：陳劭敔

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大型強子對撞機才剛上線試運轉就「爆炸」了！
內行人領路，直探位在瑞士的尖端研究現場。

• 希格斯粒子發現十周年紀念版
• 2013諾貝爾物理學獎得主希格斯大力推薦
• 陳凱風（台大物理系教授）專文導讀、專業審定

近二十年物理界最激勵人心的躍進
2012年，歐洲核子研究機構宣布他們發現質量可能的源頭：希格斯粒子。這個原本只存在於理論中的粒子，是科學家追尋物理界的聖杯——「大一統理論」時的重要里程碑。為了尋找這行蹤飄忽的粒子，科學家決定通力合作，建造史上最大、最昂貴也最精密的儀器「大型強子對撞機」。

為什麼要這麼大？

這部耗資超過一百億瑞士法郎（相當三千億新台幣）的龐然大物，大部分藏在地底。在全長二十七公里，恰能繞台北市蛋黃區轉一圈的隧道裡，兩團粒子用接近光速正面對撞、撕裂四射。儀器為什麼非得大、非得高能不可？如果實驗過程中產生的超高能量會不會創造出黑洞，摧毀地球？科學家又是如何從瞬息的碰撞之中，鎖定希格斯粒子出沒的蛛絲馬跡？

超難得，高能物理學行家完全導遊

大型強子對撞機在第一次試運轉那天就爆炸了，原因居然是某個零件的焊接出了問題，更慘的是當天全世界的媒體都緊盯著現場狀況……任職於歐洲核子研究機構的作者巴特沃斯教授在本書中描述科學家如何面對媒體與大眾的好奇與質疑。

本書除了記錄整整六年的世紀大追尋中的精采日常，也帶出科學與你我的緊密關聯，包括伯納李爵士於1989年，創造的「全球資訊網」（WWW）、以及今日廣泛用於醫藥和材料科學的「分散式計算網格」。

本書紀錄了粒子物理學界二十年來的跌宕起伏，並以發現希格斯玻色子磅礡作結，帶我們一窺這個最大實驗室裡的角力、悸動與冒險。

Photo Credit: 貓頭鷹出版

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責任編輯：翁世航
核稿編輯：潘柏翰