LHC計畫觀測到新粒子 台灣團隊貢獻物理分析

由國科會長期支持中央大學和台灣大學實驗高能物理團隊參與歐洲粒子物理研究中心的「大強子對撞機」(Large Hadron Collider,LHC)計畫,其中的CMS (Compact Muon Solenoid,緊湊緲子螺管探測器)實驗,最近觀測到有一個質量1250億電子伏特的新粒子,台灣研究團隊則貢獻了其中的物理分析,為尋找上帝粒子(希格斯粒子)露出一道曙光。

  「大強子對撞機」號稱基礎物理研究史上規模最大、最複雜的實驗儀器,造價超過3千億台幣,位於法國與瑞士邊界地下50-150公尺深的27公里長環形隧道中。科學家將兩束質子或鉛離子加速至接近光速,讓它們迎面對撞,用四座偵測器探測對撞所產生的新粒子。質子或鉛離子束將在偵測器的核心對撞,彈射出的新粒子其衰變後的粒子進入周圍各層子偵測器。科學家將計算、追蹤這些粒子的軌跡,並找出它們的特性,重建「大霹靂」發生後的宇宙現場。

 台灣大學與中央大學的實驗高能物理團隊加入LHC的CMS實驗至今邁入第13年。今年LHC能量提升到八兆電子伏特、實驗數據量增加一倍,在不間斷的尋找之下,終於在1250億電子伏特的地方觀測到一個從來沒有被觀測過的新粒子訊號。

 台灣CMS團隊將持續此一重要課題的研究,最終目標在驗證目前所找的粒子是否是標準模型所預測的「希格斯粒子」,或者此一訊號是和其他奇異模型有關的粒子。另外,也會對這此一粒子和其他玻色子和費米子的耦合性質進行進一步的物理分析。

 加入CMS實驗早期中大高能團隊和台大高能團隊共同負責CMS實驗電磁量能器的三個次偵測器中的前置簇射偵測器的建造,此子偵測器於2009年初正式安裝及運轉,在這過程中台灣團隊扮演著非常重要的角色。

 LHC自2009年底開始正式運轉,該團隊因長期參與電磁量能器的工作,所以在第一年的物理分析中,即鎖定和光子及電子相關的物理題目進行分析。在第一年的實驗數據中,中大與台大團隊即發表四篇和光子及電子相關的論文。

 因為台灣團隊對光子熟悉度的增加,在第二年的物理分析中,即加入所謂的「黃金頻道」,也就是尋找希格斯粒子最重要的衰變頻道之一「希格斯粒子」衰變到雙光子頻道的物理分析。台大與中大高能團隊以及來自法國和美國大學的合作者組成一個小型的國際團隊,對這個重要的物理分析題目進行獨立的研究,並和另外兩個 CMS 實驗內部的團隊進行交叉比對,以確立彼此的物理分析結果的正確性。

 在第二年的實驗數據中,中大已發表了一篇關於尋找希格斯粒子的論文,而另一篇相關的論文已完成實驗內部審查即將送出。

 中央大學團隊目前有四位教授:林宗泰、張元翰、余欣珊、郭家銘,以及五位博士後研究員、兩位博士班學生、八位碩士班和大學部專題生共同參與CMS實驗。

 台灣大學團隊目前有五位教授:侯維恕、熊怡、王名儒、張寶棣、陳凱風,以及四位研究員、三位博士後研究員、六位博士班學生、五位碩士班學生和大學部專題生共同參與CMS實驗。

文/物理系