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- 528期－諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2013-12-01把「光子」變重了—基本粒子的質量起源
528 期
Author 作者
侯維恕／任教台灣大學物理學系。
對一般人而言，「質量從哪裡來？」似乎問得不著邊際，但對於粒子物理學家卻是一個最深刻的問題。方司瓦．盎格列（François Englert, 1932~）與他已過世的同事羅伯．布繞特（Robert Brout, 1928~2011），以及彼得．希格斯（Peter Higgs, 1929~），在1964年分別提出理論，說明何以能讓傳遞作用力的粒子變得有質量，以至於弱作用力可以與電磁作用力融合為「電弱作用」。這個通稱希格斯機制的理論發現，今後的正式名稱將是「BEH機制」，以紀念無緣獲獎的布繞特。
諾貝爾物理委員會今年所引用的得獎理由，是歷來最長的。除了盎格列與希格斯獲獎是因為「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制」，更強調「所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLAS和CMS實驗找到，因而獲得證實」。這便是大家近來耳熟能詳的希格斯粒子，俗稱「神之粒子」。超導環場探測器（A Toroidal LHC Apparatus, ATLAS）與緊湊緲子螺管偵測器（Compact Muon Solenoid, CMS）實驗於2012年7月4日在歐洲核子研究組織（CERN）宣布「找到了！」質量約126 GeV/c2（基本粒子質量單位，GeV為10億電子伏特，c為光速），在銫與鋇原子質量之間。這兩個實驗，台灣都有參加，而花了近50年才找到的這顆上帝粒子，終於完成了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖。盎格列與希格斯也在發現一年後，分別以81及84歲高齡得到了期待已久的榮譽。
圖一：希格斯粒子的實驗發現：左為ATLAS實驗所記錄的一個H→ μ＋ μ－ μ＋ μ－的「四渺子」事例，右為CMS實驗所紀錄的一個H0→ γγ 的「雙光子」事例。從實驗發現到理論得獎
今年7月歐洲高能物理大會在瑞典斯德哥爾摩舉行，歐洲物理學會特別將2013年「高能與粒子物理獎」頒給ATLAS及CMS實驗，理由是：發現一顆希格斯粒子，與布繞特–盎格列–希格斯機制所預測的相符。此獎也同時頒給ATLAS實驗的第一位發言人葉尼與CMS實驗的頭兩位發言人戴拉內格拉及弗迪以表彰三人的貢獻。筆者本身以及台大也參與了CMS實驗，算是沾了邊，但這兩個實驗分別有約3000人參與，在台灣還有中大參與CMS、中研院參與ATLAS。布繞特、盎格列與希格斯則早在1997年便已榮獲此獎。從諾貝爾委員會已將歐洲核子研究中心CERN及ATLAS與CMS的貢獻寫在得獎理由裡，參考過去1979、1984及1990年的類似用語，將來是不會有「發現一顆希格斯粒子」的諾貝爾獎頒給實驗了。
但這畢竟是高能物理界的盛事，CERN對此非常重視，其蛛絲馬跡可說就是在「發現一顆希格斯粒子」的用字裡。當2012年7月4日宣告發現「似希格斯粒子」，便是在CERN舉行。但當時應是已過了諾貝爾委員會的評選時程，所以雖有期待，卻獎落別家。今年3月在義大利阿爾卑斯山區舉行的冬季粒子物理大會中，ATLAS與CMS實驗分別報告了對新粒子性質的檢測結果，與標準模型希格斯粒子的預期相符，因此實驗及理論的總結報告者均認為可以將「似」希格斯粒子改稱「一顆」希格斯粒子了，CERN也趕緊同步在網頁上作此宣告。筆者當時聽說後略感詫異，戲稱一定是諾貝爾委員會的短名單日期要截止了。到了斯德哥爾摩歐洲高能物理大會，果不期然，「一顆希格斯粒子」進入ATLAS與CMS的得獎理由。
那麼為何這個發現與得獎這麼有張力呢？讓我們從2008年的物理獎得主南部陽一郎（Yoichiro Nambu，1921~）說起，把時間拉回到1960年前後。
圖二：盎格列（左）與希格斯（右）於2012年7月4日ATLAS及CMS實驗宣布發現新粒子的CERN現場。
圖片來源：CERN
超導理論到自發對稱性破壞
南部陽一郎因「發現次原子物理的自發對稱性破壞機制」獲得諾貝爾獎，這個貢獻正是盎格列與希格斯工作的起頭，而他的諾貝爾演講初稿提供了不少軼聞。
專攻粒子物理的南部在東京大學受教育時接觸過固態物理。1957年他已在芝加哥大學任教，聽了一個令他困惑的演講。當時還在做研究生的施瑞弗（Robert Schriefer）主講尚未發表的BCS超導理論（1972年諾貝爾物理獎）。令南部困惑的是，BCS理論似乎不遵守電荷守恆。但南部為他們的精神所動，開始尋求瞭解問題之所在。在BCS理論裡面，電子與電子間藉交換聲子而形成所謂的「古柏對」（Cooper pair），在低溫時古柏對的玻色子性質可以形成「玻色–愛因斯坦凝結」（Bose–Einstein condensation或BEC）成帶電超流體，因而出現超導現象。但古柏對凝結態本身帶電荷，也就是前面所說的不遵守電荷守恆。南部花了兩年的時間才弄清楚，寫文章釐清規範不變性如何在BCS理論中維繫。物理學裡守恆律對應到特定的不變性，而規範不變性對應到電荷守恆，所以規範不變性被維繫著也就意味電荷守恆並沒有真正被破壞掉。南部指出維繫規範不變性的乃是一種無質量激發態，這個激發態與超導體中的電磁場結合成所謂的電漿子，可以解釋實驗上看到的麥斯聶效應（Meissner effect）。
圖三：麥斯聶效應示意圖。當低於臨界溫度時，磁場線將被超導體所排斥。
南部以深度思考著稱，故假如前面偏理論性的描述使你感到迷惑，敬請不要介意。讓我們換一個角度就麥斯聶效應說明。此效應為1933年所發現，基本上說就是磁場不能穿透超導體；當磁場進入超導體，經過些許距離後便遞減消失（該距離稱為「倫敦穿透距離」，London penetration depth）。而之所以如此，乃是前述所謂的電漿子在超導體中行進時變成有質量的，因此跟一般的庫倫力不一樣，跑一段距離就沒有作用了。所以呢，熟知多年的麥斯聶效應其實就是我們所要討論的希格斯或BEH機制。
金石定理的桎梏與安德森猜想
南部的洞察稱為自發對稱性破壞，也就是說對稱性不是給硬生生破壞掉了，乃是乍看之下好似破壞了，但其實仍微妙的維持著。這個機制本身十分吸引人。在南部的工作中，已注意到一種無質量粒子伴隨著自發對稱性破壞。……【更多內容請閱讀科學月刊第528期】