從陰極射線到大型強子對撞機

李湘楠05/10/2010

政大應物所

｢天使與魔鬼｣的故事從大型強子對撞機 (LHC) 開始

構成宇宙的基本物質為何 ?

• 始終是古今中外的科學家和哲學家最鍥而不捨的問題之一

• 直至今日，對這問題的研究仍是方興未艾 • 2010 年 3 月 30 日，位於日內瓦附近，跨

瑞、法兩國邊境，地下深約一百公尺、周長 27 公里的大型強子對撞機 (Large Hadron Collider) ，以 7 兆電子伏特的超高能量進行質子和質子的碰撞…

• 可否解答以上問題 ?

十九世紀末的物理學• 十九世紀末物理學家對大自然的構成已有

清晰的畫面• 牛頓力學描述所有物體的運動• 電磁學描述所有靜電、磁場、電波的現象• 光學描述光的傳播、反射、繞射、干涉、

透鏡原理• 熱力學描述溫度、熱功互換 ( 引擎 ) 、亂度• 所有分支都建立了嚴謹的數學形式• 化學元素即｢原子｣為構成萬物的基本物質

陰極射線管• 1858 年德國的物理學家 J. Plucker

(1801~1868) 利用高電壓游離稀薄空氣，觀察到被正電極吸引的陰極射線， ｢電子｣ 。螢光

靶材

X 射線• 德國物理學家侖琴 (W.

Roentgen,1845~1923) 於 1895 年 11 月 8 日傍晚進行陰極射線 實驗發現 X 射線。

• 1895 年 12 月 22 日侖琴用 X 光拍 了一張他太太的手的照片。

• 世界第一張 X 光照片• X 射線如何產生 ?

電子• 1899 年英國卡文迪西實驗室的教授湯姆森

(J.J. Thomson, 1856~1940) 証實陰極射線為帶負電粒子流，稱為｢次原子粒子｣ 。

• 後來由 G.J. Stoney (1826~1911) 正式命名為 ｢電子｣ 。

• 原子包含電子，有結構， 所以不是基本元素 !

湯姆森

布丁模型• 因為發現電子而聲名大噪的湯姆森於 1904

年提出所謂的布丁模型。• 現在看來，這個模型錯的離譜，但不能怪

湯姆森，因為那時還不知道質子的存在。• 湯姆森的布丁模型不可能產生像 X 射線這樣短波長的光。

原子模型• 拉塞福的實驗奠定了現代電子繞著原子核

運轉的原子模型的基礎。• 根據電磁學，拉塞福模型不穩定• 玻爾加上駐波原理，

1913 年提出玻爾模型• 軌道長度須恰好才能形成穩定

的駐波，否則波動因干涉而 消失

• E. Schrodinger (1887~1961) 於 1926 年提出薛丁格方程式

第一個加速器 ( 有人說是比薩斜塔 )

• 陰極射線導致原子模型的建立、量子力學的發展、解釋了”分立” X 光的產生

• ”分立” X 射線是重原子中電子從高能階躍遷至低能階時發生的

E. Rutherford1871~1937

Bohr1885~1962

Schrodinger1887~1961

原子核為何存在 ?• 原子核滿佈正電的質子 ,而正電相斥• 當時已知的引力只有重力但遠小於電磁力• 如何將質子緊密地束縛在一起 ?• 新作用力必定存在 ,不同於重力 ,電磁力• 新作用力 新載力者 ,如同電磁力 光

子• 湯川 (Yukawa 1907~1981)稱之為介子• 原子核大小 10E(-13)公分 , 介子的活動範圍• 測不準原理” 介子質量約 100 MeV

• 強作用力誕生

宇宙射線• 二十世紀中葉，先進的粒子偵測器從宇宙

射線中搜尋到許多類似質子，介子的基本粒子。

周期表的意義• 回顧化學元素的發現過程 ,只有少數幾個時

, 可稱為｢元素｣ , 即構成各種化合物的基本要素，但上百個元素的出現便令人困惑

• 將性質相近的元素歸類 , 形成鹼金族、鹼土族…這便是大家熟知的周期表的由來

• 當科學家瞭解了原子結構之後 ,才明白周期表背後的意義：上百個元素可以被分類 ,意味著這些元素其實是由更基本的物質組成 ,即質子、中子和電子

夸克模型• 60年代已發現許多基本粒子 ,

稱為強子 • “ 許多”“基本”似乎矛盾• 是否存在更基本的粒子 ?• 如同化學元素 , 根據組成的

質子數目即可分類而成元素周期表• 規律性 基本物質• 葛曼 (Gell-Mann)1964 年提出若 ``基本”粒

子由夸克組成 ,即可分類 ,可預測新粒子的存在

基本粒子的周期表

夸克是真的 ?

• 只需三個夸克 , 即上夸克 , 下夸克和奇夸克,便可組合出當時已知的所有強子 ,且可預測新的強子

• 不解的是 ,夸克所帶的電荷竟是電子電荷的分數 , 即 2/3個電子電荷或 -1/3個電子電荷

• 前所未見 , 因此連葛曼自己都不相信夸克是真實的 ,只視為某種數學單位 , 稱為 ``數學夸克”

• 葛曼的理論很美 ,但…是真的 ?

深度非彈性散射• 60年代末美國史坦福加速器進行深度非彈性散射 , 以高速電子撞擊質子 ,顯示質子內部的確有類似夸克 (上 ,下 , 奇夸克 )的東西存在

• 質子不再是基本粒子

重夸克的發現• 魅夸克 (1974)

• 底夸克 (1977)

Burton Richter

Leon M. Lederman

丁肇中

最後一個夸克 ?• 費米實驗室以 2 兆電子伏特能量的質子對

撞 , 發現頂夸克 (1996)

• 頂夸克的質量約為上夸克的 3 萬 5千倍 ,需要很高的能量才能碰撞出來

加速器 Wilson Hall

第二代加速器• 電子、質子高能加速器驗證 (更 ) 基本粒

子 ---夸克的存在• 對撞也產生其他基本粒子，如載力者W 、

Z介子 (弱作用 ) ，膠子 ( 強作用 ) ，重輕子 tau

• 第二代加速器的成果 --- 建立粒子物理的標準模型

電子

反電子Z, mZ=90 GeV

我們「已瞭解」的宇宙組成

基本粒子

強作用力原子核

電磁力原分子

「已瞭解」的萬物

┼

載力者

+ 反物質

Higgs ( 未被發現 )

希格斯機制 • 物理學家特別迷戀對稱性 ,相信夸克原本具

有相同的質量 ,但因為某種特殊機制破壞了對稱性 ,夸克才顯出不同的質量 , 這稱為希格斯 (Higgs, 1929~) 機制

被記者 (著黃衣 ) 包圍的話題人物行動遲緩 ,顯得體重超過於一般人

希格斯粒子• 上夸克不具話題性 ( 和希格斯粒子作用力弱 ), 可像路人般自由行動 , 質量小

• 頂夸克則像話題人物 ,總是被希格斯粒子包圍 , 以致運動緩慢 , 質量顯得特別大

• 欲證明希格斯機制 ,需找到希格斯粒子• CERN,費米實驗室 均努力搜尋過 ,目前 仍無確切的證據…

宇宙的成分 : 我們只瞭解 ~4% ! !!????

標準模型的物質：已瞭解

瞭 暗物質：不瞭解但已有許多模型

暗能量：用來解釋宇宙加速膨脹的原因

不瞭解且僅有簡單的猜想

Hubble 太空望遠鏡觀測到重力聚焦

銀河系旋轉過快

銀河團 Abell 1689

暗物質的存在的證據 ?

1E0657-558 摘自 CERN網頁

暗物質

對新物理的渴望• 一個 PAMELA 數據半年產生近 200篇論文

，都說是暗物質的證據• 可能是地球附近的

天文物體 -- 波霎理論模型

數據

中子星

宇宙演化

的標準模型

粒子物理的世界

最大跟最小的物理是一致的!

？？

Hierarchy 問題 • 標準模型中基本粒子質量跨 13 數量級，均勻分佈 :微中子 10E-2 eV ，頂夸克 170 GeV

• 100 GeV 之上的物理能量尺度直接跳至大統一尺度 10E14 GeV ，之間空無一物

• 這自然嗎 ? 標準模型之上應有新物理存在• hierarchy 問題是心理問題• (源自理論動機 ) 超對稱模型、額外次元模

型、小希格斯模型均預測許多 TeV 質量或更重的新粒子

第三代加速器• 為了搜尋希格斯粒子 ( 質量起源 )

• 為了產生暗物質 ( 宇宙學 )

• 為了模擬大爆炸後的瞬間 ( 宇宙起源 )

• 為了解決 hierarchy 問題 ( 超對稱… )

• 為了探索新物理 (源自現象學動機，標準模型的擴充，如第四代夸克、 Z’介子 )

• 來自 34個國家的兩千多位科學家通力合作，耗資千億台幣，費時 13 年，在日內瓦附近的地底下建造了大型強子對撞機

歐洲粒子物理研究中心(CERN)

2008 年 9 月 10 日成功試俥

科技的進展• 位於日內瓦附近，跨瑞、法兩國邊境，地

下深約一百公尺、周長 27 公里• 對照 150 年前的照陰極射線管…

大型強子對撞機的加速器 偵測器

大型強子對撞機的偵測器之一 LHCb

對照侖琴的感光底片…LHCb

CMS

ATLASALICE

最常提到的問題

• 為何耗費鉅資蓋 LHC?

為了追求知識，而知識的價值很難衡量 附帶的科技提升絕對值得 (GRID, 超導 , 材料 ...)

• 產生黑洞怎麼辦 ?

有可能，但太小，吞噬地球前已衰變 不需擔心｢天使與魔鬼｣中的反物質• LHC會撞出什麼 ?

不知道，但必定影響高能物理的未來

高能物理的未來 如果 LHC 發現

• 空無一物 理論學家翻出舊論文， TeV 改成 PeV

實驗學家忙寫新計畫• 一個希格斯粒子 理論只剩弦論 實驗學家放無薪假• 希格斯加上其他粒子 理論進入戰國時代 實驗學家建線性加速器 (ILC)

結語• 加速器是探索基本物質的利器• 從原子模型的建立到夸克的發現 , 約一百年間科學與哲學歷經革命性的變化

• 大型強子對撞機將承續以上使命 , 未來 20年的主流科學之一

• 突破性進展常來自意外 (好奇 )

• 無法想像的觀念可能成真• 不要讓任何事物侷限你的創意• 請拭目以待

基本和組合粒子的差別• 若質子是基本粒子• (q+p)2 = m2

• Q2 = -q2, 2mE = Q2 (1)

• 若質子不是基本粒子• (q+xp)2 = mq2, 0<x<1

• 2xmE = Q2

• 若 E,Q2不滿足 (1) 式仍 測得散射截面積 ,則質子 不是基本粒子

q=(E,q)

p=(m,0)

q+p

q=(E,q)

xp

q+xp

質子

夸克

光子

電子