高能粒子物理学

**粒子物理學**是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間交互作用的一個物理學分支。由於許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們，因此粒子物理學也被稱為**高能物理學**。

## 次原子粒子

現代粒子物理學的研究集中在次原子粒子上。這些粒子的結構比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、微中子和緲子，以及許多其它奇特的粒子。

嚴格地說「粒子」這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態向量來描寫它們，詳細的理論基礎為量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為「粒子」，雖然這些粒子也具有波的特性。

今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含 37 種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。從 1960 年代以來實驗物理學家已經發現和觀察到了上百種複合粒子了。標準模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數據相符合。雖然如此，大多數粒子物理學家相信標準模型理論依然是一個不完善的理論，而一個更加基本的理論尚有待發現。最近發現的微中子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。

## 歷史

前 6 世紀古希臘的哲學家就提出物質是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是「原子論」的代表人物。17 世紀時艾薩克・牛頓也有過物質是由粒子組成的想法。1802 年約翰・道爾頓正式提出所有物質是由原子組成的理論。

1869 年季米特里・門捷列夫發表的元素週期表加深了原子論的設想。約瑟夫・湯姆森發現了原子中存在帶有負電荷、質量非常小的電子，認為原子是由質子和被束縛的電子組成的。歐尼斯特・拉塞福證明質子集中在非常緊密的原子核中。1932 年英國物理學家查兌克發現了中子，至此，人們認識到原子核是由質子和中子組成的，電子在原子核外運動。

20 世紀原子物理學和量子物理學的研究導致了裂變和聚變的發現和實驗成功。人類能夠將一個元素的原子轉換成另一個元素的原子。

1950 年代和 60 年代中許多新的粒子被發現，它們被統稱為「粒子動物園」。直到 1970 年代粒子物理的標準模型建立，將大多數這些粒子看作是少數基本粒子的複合粒子後這個混亂才減輕。

## 標準模型理論

目前描寫基本粒子的最成功的理論是標準模型理論，它使用規範玻色子來描寫強交互作用、弱交互作用和電磁交互作用。光子、W 及 Z 玻色子和膠子都屬於規範玻色子。標準模型包含了 24 種基本費米子 (12 種基本粒子與對應之反粒子)，這些組成了現有的物質。最後這個理論還預言了希格斯玻色子。彼得・希格斯與弗朗索瓦・恩格勒爾後榮獲 2013 年諾貝爾物理學獎。

## 實驗粒子物理學

實驗粒子物理學通常藉由大量產生對撞物理事件，進而分析物理現象。早於 CERN 中期（1980 年代），此領域便需要集結大量不同國籍之研究員，全球資訊網便是為了因應研究員溝通之便利而誕生。因為需要處理大量數據，如今此領域之研究發展也與電腦科學息息相關。由於各個高能實驗經費正節節高升，以求更高能量、更高亮度或是更高的時空解析度 (對於時間和空間的最小辨識力)，通常經費來自於政府，大型強子對撞機已成為經費最高之高能物理實驗。因為嚴重排擠了政府其他項目之預算，高昂經費之高能物理實驗往後可能漸漸減少。

大的實驗粒子物理學國際合作有：

* 歐洲核子研究組織：位於法國和瑞士邊境日內瓦附近，其主要儀器如下：
  * 大型正負電子對撞機（2001 年停用，現已拆除）
  * 超級質子同步加速器
  * 大型強子對撞機
* 德國電子加速器：位於德國漢堡，其主要設備是強子電子環設備（HERA），可用電子和正電子與質子相撞。
* SLAC 國家加速器實驗室：位於美國帕洛阿圖附近，其主要設備是 PEP-II，用來碰撞電子和正電子。
* 費米國立加速器實驗室：位於美國芝加哥附近，其主要設備是兆電子伏特加速器（Tevatron），碰撞質子與反質子。
* 布魯克黑文國家實驗室：位於美國長島，其主要設備是相對論性重離子對撞機，用來使重離子如金離子與質子相撞。
* 布德克核子物理研究所（BINP）：位於俄羅斯新西伯利亞。
* 超級神岡探測器: 1998 年，超級神岡探測器的領導者、日本科學家小柴昌俊發表了測量結果，給出微中子振盪的首個確切證據，認為微中子在三種不同「味」之間是可以相互轉換的，這也表明微中子是有質量的，而不是粒子物理標準模型中預言的零質量粒子。2002 年，超級神岡探測器證實反應爐中產生的微中子發生了振盪。這個探測結果在微中子天文學和粒子物理學中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得 2002 年的諾貝爾物理學獎。
* 高能加速器研究機構：位於日本筑波，擁有一個測試微中子振盪的 K2K 和測試正反 B 介子違反電荷宇稱守恆性的 Belle 實驗。如今 (2018 年底) SuperKEK 加速器 (預期亮度為舊型 Belle 實驗 KEK 電子正子加速器之 40 倍) 正在進行建造與測試，Belle II 實驗相關偵測器與軟體也正在開發，以接收日後大量的物理事件數據。
* 大亞灣核反應爐微中子實驗：位於中國大亞灣核電站北側，主要物理目標是利用核反應爐產生的反微中子來測量微中子混合角 $\theta _{13}$ ，該項目 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）由中科院高能物理研究所主持。

此外世界各地還有許多其它粒子加速器，比如中國大陸的北京正負電子對撞機與台灣新竹科學工業園區的國家同步輻射研究中心。

## 理論粒子物理學

理論粒子物理學試圖描述自然界的一切交互作用，研究能解釋今天實驗結果並能預言未來實驗結果的模型、理論構架和數學工具。今天在這方面有許多不同的努力。

一個重要的工作點是更好地理解標準模型理論和其實驗結果，從試驗中獲得更精確的參數，這個工作點測試標準模型理論的極限來擴大我們對自然的理解。這個工作最大的困難在於量子色動力學中對多個物體計算時的困難。一些理論家將他們的精力集中在有效場論。

另一個重要的工作點是建立超出標準模型理論的模型。由於今天的實驗數據還不夠，這個工作非常困難。新的理論結構有超對稱、阮桑模型、前子理論等等。

第三個重要的工作點是弦理論，其目的在於建立一種基於微小弦與膜而不是基於粒子的理論來統一描述量子力學和廣義相對論。如果這一理論取得成功，可以被看作一種「萬有理論」。

此外還有一些其它的理論工作如迴圈量子引力理論等。

## 還原論

還原論是將世界上的事物的解釋簡化到一些基礎的理論的哲學觀點。在粒子物理學這個觀點是提出一個可以解釋世界上的一切的一種最基礎的物理理論，或者用一個比較大眾化的語言來說，來尋找一個概括宇宙一切的公式。

但在粒子物理學的發展過程中也一直有人批評這種極端的還原論。這些批評者中有粒子物理學家、化學家、生物學家、固態物理學家和整體論者。他們並不向標準模型理論本身挑戰，但他們認為基本粒子的特性並不一定也是它們所組成的原子、分子或更大的結構的特性，尤其是它們並不能表達很多粒子組成的系統的特性。基於混沌理論，一些批評者認為即使物理學家完全認識基本粒子的所有的特性的話，人們以此不能完全理解所有的自然的過程；另一些批評者懷疑人們能夠完全理解基本粒子的特性。

## 公共政策

粒子物理學的實驗結果需要使用巨大的粒子加速器才能取得。這些加速器非常昂貴（往往需要上十億美元）因此需要大量政府資助。因此粒子物理學的研究也關係到公共政策的決定。

許多人認為花這麼多的錢不值得，而且粒子物理學消耗了許多可以用到更重要的研究和教育方面的錢。20 世紀 80 年代，在美國德克薩斯州開始建造一台超級超導對撞機，這是個宏偉的計劃，費用高達 80 億美元，美國國會為此花掉了 20 億美元，在建成一條 22 公里的隧道後取消了這項工程。許多科學家（包括超導超大型加速器的支持者和反對者）相信這個決定的原因之一是因為冷戰結束後美國沒有必要花這麼多錢在這方面與蘇聯競爭了。

此外許多反對者懷疑單一國家是否還有能力運行如此昂貴的對撞機。

粒子物理學的支持者認為為最基本的理論值得花這麼多錢，這些錢對科學的其它方面也有好處。例如加速器與其副產品同步輻射在生物與醫學上的應用，以及最早由 CERN 研究員所創立的全球資訊網。他們指出今天所有的加速器都是國際合作建立和運行的，他們懷疑取消製造加速器所節省下來的預算仍會使用在其它科學和教育的方面上。

## 展望

世界各地的粒子物理學家對粒子物理學近期和中期最重要的目標的見解是一致的。近期的目標是於 2007 年完成大型強子對撞機並用它來尋找希格斯玻色子和超對稱粒子。中期的目標是建造國際直線對撞機（International Linear Collider, ILC）。這個對撞機的技術實現方法已於 2004 年 8 月決定，但其地址還沒有決定。國際直線對撞機與大型強子對撞機是互相補充的實驗設備，大型強子對撞機更適合用來尋找新的粒子，而國際直線對撞機則更適合用來精確地測量這些粒子的特性。

粒子物理學的其它重要目標包括測量微中子的靜質量和澄清質子的雙重 β 衰變是否存在。這些實驗不一定需要使用對撞機。

## 參考文獻

## 參見

* 基本粒子
* 原子物理學
* 原子核物理學
* 量子物理學

## 外部連結

* 美國高能量物理諮詢小組的文章 Quantum Universe: The Revolution in 21st Century Particle Physics 列出粒子物理學與天體物理學的九個基礎問題。