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2019-08-01探尋物理新粒子—通往未來的圓形對撞機
596 期
Author 作者
張敬民／清華大學講座教授，研究領域為理論粒子物理學和現象學。
對撞機發現粒子的歷史
高能量對撞機在發現新粒子方面有著悠久的歷史，早在LHC之前，歐洲核子研究中心（Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN）的SppS對撞機（SppScollider）在1980年代發現W和Z玻色子後，奠定粒子物理標準模型（standard model, SM）的基礎。實際上，標準模型由一組基本粒子、一組規範玻色子（Gauge boson）及粒子之間的相互作用進行描述。
一般而言，物質由費米子（fermion）所組成，而所有的費米子可分為3代，每一代費米子似乎都是彼此重複（圖一）。所有的費米子都是在1970~1980年代被發現，而物理學家也在1995年發現頂夸克。儘管如此，質量的起源與其相關的電弱對稱性破壞（spontaneous symmetry breaking）機制仍然未知。最簡單的選擇就是單個希格斯雙峰，其具有真空期望值以打破電弱對稱性，並使規範玻色子和費米子獲得質量。
圖一：標準模型中的各種粒子；橘色為夸克、綠色為輕子、藍色為規範玻色子和右下則為希格斯玻色子。
然而，在發現頂夸克的10多年後，科學家依舊沒有發現希格斯玻色子（Higgs boson）的任何暗示。在LHC開始之前，物理學家提出各種新模型，例如多維模型、超對稱模型和情景、小希格斯模型及複合希格斯模型等，每個模型在LHC都有非常有趣的預測，科學家希望在LHC的實驗得到驗證。最終，LHC於2010年開始運行。然而，在2011年中期之前並沒有看到任何希格斯玻色子的跡象，這讓許多人對LHC產生許多疑慮。2011年底，透過超環面儀器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS）和緊湊緲子線圈（Compact Muon Solenoid, CMS）的實驗，找到一些標量玻色子的暗示，它們衰變成2個最明顯的通道：4個帶電輕子與2個光子。
當時的結果與標準模型的預測有些不同，引發後續許多與標準模型希格斯玻色子不同的推測。直到2012年，當實驗積累更多數據後，標準模型中的希格斯玻色子為實驗數據提供最佳的解釋。接下來幾年，實驗累積越來越多的數據，希格斯特性的精確測量時代就此展開，後續出現尋找電弱對稱破壞機制，並且搜索新物理，幫助理論物理學家找到超出標準模型的新模型的方向。不過出乎意料的是，過去幾年沒有新物理產生的跡象，沒有出現超對稱性與重粒子，甚至新的相互作用也未出現，高能物理似乎進入一個沉寂的時期。然而，科學界需要新物理的跡象才能繼續前進，一些可能性包括以更高亮度運行當前的機器，或者構建更高能量對撞機。......【更多內容請閱讀科學月刊第596期】