◆最受歡迎科普網站 PanSci 泛科學推薦 ｜粒子物理太有趣了，不能只有物理學家知道！｜ 深入探索有如科幻電影片場的地下實驗室，和科學家一同參與模擬宇宙起源的實驗！ 以粒子物理關鍵知識為本，看天文物理研究現場的數據如何演繹宇宙的大霹靂現象 今日諾貝爾級科學實驗的豐收，又如何成為未來世界的科技基礎？ ◎「基本粒子」依比例可以組成週期表上的原子，但為什麼外在物質無法穿透中空的粒子世界？ ◎科學家為何要花四十年才從超導環場探測器中找到「一顆」希格斯玻色子？ ◎為什麼大霹靂後反物質和物質一相遇旋即被消耗掉，卻還有物質存在至今？ ◎原來在愛因斯坦的相對論公式E=mc2之中，藏著粒子跟宇宙演進可能的關鍵？ ◎新理論有沒有可能解釋反物質、暗物質、物質和重力波之間的交互關係，進而解答宇宙初始、星系形成的祕密？…… 宇宙百分之九十五至今仍是個巨大的謎團，但在歐洲核子研究組織CERN工作的人們卻不這麼想，對他們而言，宇宙不是未知，而是未來的知識寶庫。位於瑞士的CERN，是全世界最大的粒子物理學實驗室，無數重大科學成就的發生地，六千多位、代表五百餘所大學機構的科學家和工程師都在此進行試驗。儘管CERN定期開放申請參觀，但外人卻仍鮮有機會一窺全貌。在CERN工作長達十九年的粒子物理學博士寶琳．甘儂（Pauline Gagnon），這次將帶領讀者實地走訪位於地底一百公尺處的實驗室。 物理學家如何在粒子物理的最小尺度與宇宙學的最大尺度之間探詢物質的奧祕？粒子物理學發展至今怎麼解釋物質組成？甘儂整理出CERN自一九五四年創立以來，無數實驗室團隊在天體物理、希格斯機制、光學與重力波等領域的研究成果，並以簡明的科學語言解釋基本原理和實驗過程，更帶出二十一世紀科學研究的動向與進展，我們除了看見科學史上數十個諾貝爾物理獎得主在粒子物理方面的貢獻之外，也需知道CERN是背後的重要推手。 在跟著科學家的導覽時，讀者也將知道CERN研究計畫的歷史性時刻，為了籌建粒子研究資料庫，這促使了全球資訊網（World Wide Web）的誕生，後續發展也帶起了超導體、光纖、新能源和太空科技的新興應用，其益處更反映在醫學、能源、機械材料工程的進步上。如果科學家和社會之間能架起雙邊對話的常態橋樑，甘儂相信，科學研究將為未來帶來更多樣的改變。 【關於歐洲核子研究組織ＣＥＲＮ的熱門問題】 Ｑ１　歐洲核子研究組織ＣＥＲＮ在研究時光旅行嗎？ Ａ１　不是，但是在ＰＳ３電玩遊戲《命運石之門》（Steins: Gate）中，會製造微型黑洞以改變過去和未來的反派組織ＳＥＲＮ便是以ＣＥＲＮ為藍本，然而現實中的ＣＥＲＮ仍將重心放在粒子研究和暗物質，每天孜孜矻矻的跟數據纏鬥著！ Ｑ２　歐洲核子研究組織ＣＥＲＮ在研究反物質炸彈嗎？ Ａ２　不是，你一定是看了全球知名小說家丹．布朗的小說《天使與魔鬼》，把虛構的反物質炸彈失竊事件當真了。可是反物質極難蒐集，現在連用實驗證明其理論都很困難，小說裡的小偷到底偷走了什麼，連科學家都不知道！ Ｑ３　歐洲核子研究組織ＣＥＲＮ到底是什麼地方？ Ａ３　ＣＥＲＮ是世界上最大的物理研究實驗室，它超酷的！想像如果美國著名影集《宅男行不行》（The Big Bang Theory，又譯生活大爆炸）中的理論物理學家謝爾頓（Sheldon）跟實驗物理學家雷納德（Leonard）搬到歐洲，他們一定會想來ＣＥＲＮ工作！ 【海外推薦】  「粒子物理學家寶琳．甘儂的新作，從加速器講到宇宙學，不僅解釋得極詳細而且面面俱到，並說明了科學家如何將各方研究整合成一完整理論，才有我們現今對自然界的完善理解。如果你想要了解粒子物理這一學門是如何運作又是怎麼做研究的，這將會是一本很好的入門書。」 ——西恩．卡羅（Sean Carroll），《在宇宙盡頭的粒子》（The Particle at the End of the Universe）作者  「甘儂是粒子物理界的傑出女科學家，而她的這本著作也十分優秀。這是粒子物理一路演進至今的全面紀錄。甘儂接二連三地丟出許多生動的譬喻，讓一般人也能輕易理解最複雜的概念。最重要的是，她讓讀者得以一瞥歐洲核子研究組織（CERN）的內部工作情形，描述了它那規模龐大、國際化的合作方式，以及實務上究竟帶來了哪些新發現。如果你想要趕上大強子對撞機的第二階段的運轉，這是一本即時回應大眾閱讀需求的必讀之作。」 ——萊奧妮．穆克（Leonie Mueck），《自然》（Nature）期刊資深編輯  「在為期兩年的大強子對撞機的希格斯玻色子搜尋計畫期間，甘儂博士生動且充滿洞見的部落格文章，對於想要持續追蹤進度，以及希望能夠得到科普解釋的外行人來說，是外界極重要的資訊來源。她的著作將會讓人知道，大強子對撞機的發現為何如此重要，還有下一步發現將會是什麼。」 ——羅伯特．伊凡斯（Robert Evans），前路透社駐日內瓦特派記者  「寶琳．甘儂述說她在歐洲核子研究組織的奇妙科學冒險期間，科學家是如何確認希格斯玻色子的存在，還有這將帶來怎樣的物理學革新，並說明了未來幾年值得我們注意的不可解謎團，比如暗物質的祕密，或者是反物質的消失。」 ——寶琳．格瑞佛（Pauline Gravel），加拿大魁北克時報《Le Devoir》科普作家

致謝　　　 各章摘要　　　 引言　 第一章　粒子物理入門１０１：物質由什麼組成的？ 第二章　粒子物理進階課：什麼是希格斯玻色子（Higgs boson）？ 第三章　加速器與偵測設備：必要的實驗工具 第四章　發現希格斯玻色子！ 第五章　宇宙的黑暗面：暗物質和星系起源的祕密 第六章　標準模型的再進化：向超對稱理論「SUSY」求救 第七章　基礎科學研究能給我們什麼好處？醫學、精密機械和能源上的突破 第八章　歐洲核子研究組織（CERN）：獨特的跨國科研合作典範 第九章　物理學的多元發展可能 第十章　下一波的新發現將是？ 附錄一　尋找女科學家：參與歐洲核子研究組織的一百零一國研究人員中的女性比例 附錄二　科學史的公案：米列娃‧馬利奇‧愛因斯坦的歷史定位

　　 　　什麼是物質的最小微粒，還有它們之間是如何交互作用，而得以形成我們周遭所能觀察到的所有物質？標準模型（Standard Model）是現今描述這些粒子和它們之間交互作用的理論模型，標準模型提供我們一個對於物質世界的清楚解釋，甚至也可以高度準確地預測這些粒子的行為。這些粒子每一個都帶有與其對應的反粒子，但幾乎所有的反物質都從我們的宇宙中神祕地消失了。 　　 　　 　　新聞媒體所傳達的訊息是希格斯玻色子賦予基本粒子質量，但事實上，基本粒子質量的產生有三個要件：機制、場、玻色子。布勞特–恩格勒–希格斯機制（Brout-Englert-Higgs mechanism）是一個數學表述，該機制透過數學方程式描述了一個實際存在於自然界的物理實體—布勞特–恩格勒–希格斯場（Brout-Englert-Higgs field），這個場只是宇宙的其中一個性質，就像空間和時間是宇宙的一個性質，而希格斯玻色子是這個場的激發，就好像波浪是海平面的激發，找到希格斯玻色子就證明了這個場的存在。 　　 　　 　　製造希格斯玻色子是歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）的其中一個目標。大強子對撞機先將質子加速到接近光速，然後再讓質子對撞，這個加速器可以將極大量的能量集中到空間裡一個極小的點上，所產生的能量會以粒子的形式物質化。大部分生成的粒子是不穩定的，而且出現後馬上就分裂。接著，位於對撞點的偵測器則充當照相機，捕捉這些稍縱即逝的粒子與其衰變產物。 　　 　　 　　藉著篩選數十億筆運轉於大強子對撞機的偵測器中的事件，物理學家可以提取出具有希格斯玻色子特徵的少數事件。先進的統計方法使得我們可以將含有希格斯玻色子的事件從所有其他類型的事件中區分出來，進而使科學家能夠自數百萬個乾草堆中抽取出一根針。 　　 　　 　　標準模型運作地不可思議地成功，但它只適用於宇宙內含之物的百分之五，原來，宇宙的百分之二十七是由一種奇怪的物質所組成的，它叫做暗物質，它絕對的神祕。剩下的百分之六十八則是由一種未知的能量所組成，這股能量像謎一樣。我們有足夠的證據顯示暗物質確實存在，而它們在天文學研究當中的角色相當重要，其對星系的形成過程起了催化作用。目前世界上有數個暗物質實驗正在進 　　行中，希望不久之後能首次捕捉到暗物質粒子，上述實驗的所在地點包括地底深處、國際太空站（International Space Station）以及歐洲核子研究組織的大強子對撞機。 　　 　　 　　標準模型雖然取得了驚人的成功，但卻有幾個缺陷：例如，它無法解釋重力，也無法解釋暗物質。很顯然的，應該還存在著一個更加完備的理論，這個理論將以標準模型為基礎，但涵蓋範圍會更廣。一個可行且誘人的理論叫作超對稱（supersymmetry，或稱SUSY），它是現在非常被看好的理論新秀。超對稱理論具有所有能夠取悅我們的特質，它以標準模型為根基，能統合物質微粒與力載 　　子，還附帶了可以做為暗物質理想候選的新粒子。超對稱理論最大的問題是它還沒有被發現。那麼，這個假設是否還有可能是對的呢？當然有可能！ 　　 　　 　　所有研究都需要經費，那麼錢花得值得嗎？我的答案是肯定的，沒有一絲一毫的猶豫。多虧了基礎研究，全人類對於我們周遭的物質世界才有更完好的了解。這個回報就很夠了，但如果我們考慮到其他益處，回報還會更多。科學研究帶來了受過良好訓練的人力資源，這些人在許多方面均對社會的發展作出了貢獻。即便是短期來看，基礎研究所衍生出的經濟與技術的突破也使之成為最好的投資標的之一。 　　 　　 　　數以千計的研究人員一起工作，沒有直屬上司，並擁有完全的自由，得以決定何時、何地以及如何工作。這有可能是真的嗎？ 實際上這就是粒子物理學當中大型實驗合作計畫的運作方式，這種管理模式對於所有參與者的創造力、個人主動性和自主性有利，實驗能夠成功完全仰賴整個群體的共同利益。這樣的工作模式一旦普及，在未來也可能使許多公司受惠。 　　 　　 　　與幾十年前相比，現在有更多的女性投身於物理學界。雖然情況正在改變，但在歐洲核子研究組織仍只有17.5％的科學家是女性。為什麼會這樣呢？我們要如何改善這個情況呢？女性並不是這個領域當中唯一人數稀少的族群。在性別、種族、性取向、宗教以及生理能力等各方面，科學界如果能夠有更多的包容性，將會是百利而無一害。在本章中，我們可看到科學界的多樣性如何催生更大的創造力。 　　 　　 　　作為總結，我將拿出水晶球，試著預測未來幾年可預見的發現會是什麼。特別是在二○一五年歐洲核子研究組織的大強子對撞機以更高的能量重新啟動後，打開了新發現之門，這些突破可能徹底改變我們對於周遭物質世界的看法。

作者：寶琳．甘儂(Pauline Gagnon) 譯者：張宛雯 出版社：臉譜 書系：科普漫遊1 出版日期：2018-02-05 ISBN：9789862356487 城邦書號：FQ1049 規格：平裝 / 部分彩色 / 296頁 / 14.8cm×21cm