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成大外地生居照7日超慘心聲「邊緣人真的不能確診」

可能存在的第五種作用力?緲子搖晃藏玄機!

【文/卡芮娜(Marcela Carena】

多年以前,有一次我在離開歐洲核子研究組織(CERN)的物理實驗室之後,坐上高速鐵路火車穿越瑞士與德國的邊界,從車廂窗戶往外看,我被飛逝而過的景色迷住了:一對青年男女相擁於無人的月台、一位老人站在少了一個輪子的生鏽推車旁邊、兩個女孩在蘆葦叢生的池塘中涉水前進。每個景象都只是幾格閃爍的畫面,一閃而過,但是已經足以讓我想像怎麼填補一個故事。

我剛剛寫完一篇關於緲子(muon,這種基本粒子類似電子,但比電子還重)的理論論文,正有待粒子物理界同儕嚴格審查。當我從車廂窗戶往外看時所產生的一些感想,與正從事的研究之間存在著某種對稱。我的研究就是關於一些看不到的「虛粒子」(virtual particle)對於緲子的閃爍效應,目的是利用這些交互作用所帶來的線索,去拼湊出這個量子宇宙的完整圖像。做為一個科學生涯剛起步的年輕理論家,我已經聽說有人提議用實驗測量緲子的細微搖晃來收集這種線索。我才剛剛在CERN待了幾個月,研究一個點子:緲子的搖晃可能和主宰宇宙以及其他謎題的暗物質有關。我的思緒快轉,這麼想著:「太棒了,現在只要等實驗來理出頭緒。」但萬萬沒想到要等上1/4世紀!

終於在2021年4月,我在服務的研究機構美國芝加哥市附近的費米國家加速器實驗室(以下簡稱費米實驗室)觀看一場網路直播;這間實驗室的科學家在直播中報告了「緲子g-2實驗」(g-2即是g減2)的發現。全球有數千人在觀看,想要知道物理定律是否很快就要改寫。費米實驗室的這項實驗計畫是為了要證實2001年的實驗結果;當年那項實驗發現了一些緲子搖晃效應的誘人跡象,那正是我所期待的。那項實驗產生的數據不足以確認這些跡象,但是現在緲子g-2實驗的發言人波利(Chris Polly)就要揭示大家等待已久的第一輪實驗結果。我興奮地看著他展示一堆新證據,它們符合先前的實驗結果,兩者都意味著現今的理論無法說明緲子的行為。有了這兩項實驗的結果,我們已經快要跨越物理學家對於「新發現」所設定的嚴格統計門檻。

到底什麼是搖晃效應?讓我和其他物理學家那麼著迷?它所涉及的是,緲子在穿越磁場時如何自旋(spin)。根據奇怪的量子力學法則,在真空中創生又湮滅的虛粒子可以影響緲子自旋方向的變化。如果於我們所知的粒子之外,宇宙中還存在著其他粒子,它們也會以虛粒子的形式影響實驗中緲子的自旋,而這可能就如我們所看到的。費米實驗室的這項實驗與先前實驗所測量的緲子自旋的搖晃,比我們用目前(僅基於已知粒子)的理論所做的預測來得強。如果未來的實驗能夠支持這項差異,那麼這將會是從近期發現的新粒子「希格斯玻色子」(Higgs boson)以來,粒子物理學最大的突破。我們所觀察到緲子自旋搖晃的效應,可能有助於揭露暗物質的身分、甚至發現全新的自然作用力。

簡單又優美的數學結構

我對物理學的熱愛緣起於幼年之時、在阿根廷彭巴草原上,我在成長之地以驚異的心情看著深邃黝黑天空中的銀河。現在我也感受到同樣的驚奇。我身為粒子物理學家,研究工作就是探究宇宙是什麼構成的?是如何運作的?是如何開始的?

科學家相信存在著一個結構:一個奠基於大自然的對稱性、簡單又優美的數學結構;這結構能夠描述微觀基本粒子如何透過電磁力、弱力與強力彼此相互影響。科學家無趣地稱這個結構為「標準模型」(standard model),但它不折不扣是個粒子物理學的奇蹟。遙遠的星星和我們的身體,都是由相同的三種基本物質粒子所組成的:電子、上夸克與下夸克;後兩者構成質子與中子。星光是星星很熱的表面所釋出的光子,是由帶電的質子與電子之間的電磁力所導致的。這些星星(包括我們的太陽)的熱源是源自於強力和弱力的作用;強力作用於質子與中子之間以產生核融合,弱力作用於夸克以及電子、把質子轉變成中子與正子,而控制了核融合過程的第一步。(自然界的第四種作用力「重力」不是標準模型的一部份,把重力和其他三種作用力整合起來是物理學家的主要目標。)

物理學家投注了數十年心力,一點一滴拼湊出標準模型。我們可以在全球各地的粒子加速器中,產生並觀察到一切標準模型數學結構所要求的粒子。近期發現的希格斯玻色子,是於幾乎十年前在CERN的大強子對撞機(LHC)中產生。但是我們知道標準模型不完備,例如它無法解釋宇宙內85%的物質,也就是能讓星系(例如我們的銀河)兜在一起的暗物質。標準模型也無法說明,何以在宇宙歷史早期某個階段,物質會比反物質更多,讓人類得以存在。而現在費米實驗室的緲子g-2實驗可能顯示,無論標準模型的功績如何輝煌,它只是描述了一個更為豐富的次原子世界的一部份而已。

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱科學人雜誌】

※延伸閱讀

《巨大的原子雲》

《老派物理學家》

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