《特別報導》 物理所高能物理組研究簡介 物理研究所副所長 李世昌 1.粒子物理研究 物理學家相信，所有複雜的事件都是由少數基本的事件所組成； 而這些基本的事件，就是在描述基本粒子間的變化。例如電子吸收或 放出一光子而改變其運動之方向就是一個基本事件。 基本粒子大致分為兩類，第一類是構成物質的主要成份，包括夸 克及輕子（電子）；第二類主要是媒介基本粒子間的作用，包括媒介 電磁作用的光子、媒介強作用的膠子，及媒介弱作用的 W、Z 等「規 範粒子」。描述 W、Z 及膠子的理論是描述光子的電磁理論的推廣； 此推廣的理論首由楊振寧院士提出，因此稱為「楊－密爾思規範場論 」。對這一類規範場論，物理學家的了解還不是很透徹，因此還是理 論及實驗上一個主要的研究方向。 目前已知的夸克及輕子各有三代，每一代包括兩個夸克及兩個輕 子。第一代的夸克稱為上夸克及下夸克，輕子則為電子及電子微中子 。第二代的夸克為奇夸克及魅夸克。丁肇中院士即因首先證實魅夸克 的存在而獲諾貝爾獎。第三代的夸克稱為底夸克及頂夸克。頂夸克至 目前尚未發現，祇知其可能較銫原子還重。三代的夸克及輕子間的質 量差異極大，此差異之來源，也是一個待解之謎。 除了物質之外，還有反物質。譬如質子有對應之反質子，電子有 對應之反電子（或稱正子），夸克有對應之反夸克。物理學家相信若 將時間之方向反轉，左右對調，同時將正、反物質交換，則物理定律 不變。此對稱性通稱為「TPC 守恆律」。一個重要的問題是：若 祇是時間反轉，或祇是左右對調，或正、反物質交換，物理定律是否 仍然不變？楊振寧及李政道院士即因首先指出弱作用在左右對調下不 具對稱性，並經吳健雄院士實驗證實而獲諾貝爾獎。雖然弱作用不具 左右對調之對稱性，但是在絕大多數觀測到的現象中，若將左右對調 同時又將正、反物質交換則仍是對稱的；此對稱性稱為「CP守恆律」 。我們知道宇宙間，大部分是物質而非反物質，若是物理定律具CP對 稱性，則很難理解此宏觀的物質－反物質之不對稱現象。因此，CP對 稱破壞之研究，也是當前粒子物理研究之一主要課題。 因為底夸克早已被發現，物理學家相信底夸克的配對－頂夸克也 應該存在。如果找不到頂夸克，就表示當前對基本粒子物理的了解有 很大的缺陷。若頂夸克在費米實驗被發現了，則需要更進一步了解其 性質，以確定是否和物理學家目前之了解吻合。很有可能經由對頂夸 克及其衰變產生之弱作用規範粒子之研究，而對上面所提到的一些待 解之謎，提供寶貴之線索。 2.費米實驗室及正反質子對撞實驗實驗組 費米實驗室位於美國中部芝加哥市西郊，為能源部所支持之最重 要的粒子物理國家實驗室之一。實驗室主要之設施為一周長約四英哩 之質子加速器，可將質子及反質子加速到9千億電子伏特，以進行質 子－反質子對撞之觀測；另外也提供許多射束線，可將高能質子引出 ，以進行質子與固定靶撞擊之實驗。費米實驗室為當前能量最高之質 子加速器實驗室，祇有在此進行對撞實驗，才有可能找到頂夸克。 目前進行質子－反質子對撞實驗的有CDF（Collider Detector at Fermilab）及DO兩個實驗組，CDF 由來自美國、加拿大、日本、義大 利及中華民國等五個國家，分屬35 個大學或研究機構之439位研究人 員組成。CDF 探測器總重5000 噸，有三層樓高，十萬個電子讀出頻 道，實驗進行時，一週 7 天，一天24 小時運轉，因此參與之研究人 員需要輪值8小時之班，監控實驗儀器。 高能組研究人員列在此次費米實驗室公佈之CDF 名單上的有包括 葉恭平等12 人。中央研究院物理研究所則列名於35個研究機構之一 。 CDF實驗之發言人每兩年「普選」一次，目前為Lawrence Berkeley Laboratory之資深物理學家W.C. Carithers，Jr. 及芝加 哥大學教授M.J. Shochet。後者自1988年起即為發言人，而前者則是 1993 年被選上取代剛退休之 A. V. Tollestrup 。 Tollestrup 將 於五月中旬來台參加研討會。 DO實驗由來自美國、墨西哥、哥倫比亞、巴西、印度、韓國、俄 國等七個國家，分屬43個研究機構之420位研究人員組成。DO之能量 儀較CDF 精密，但它沒有磁鐵提供量測帶電粒子動量之磁場，也沒有 頂點偵測器，因此在頂夸克之搜尋上，一般以為目前較CDF有不及之 處。 3.CDF實驗組及費米實驗室發佈之新聞及其意義 過去九個月來，CDF 實驗組對上一次實驗收集之數據，進行了深 入的分析。在頂夸克之搜尋方面，有數個小組分頭進行。若頂夸克存 在則在質子－反質子對撞時，有機會產生一對頂夸克及反頂夸克。頂 夸克有兩種衰變模式，其一為衰變成一個底夸克，一個帶電輕子及一 個微中子；另一則為衰變成一個底夸克，及另一對夸克。反頂夸克也 一樣有上述兩種衰變模式。由頂夸克衰變而來的帶電輕子具有一些特 性；因此若我們能觀測到具有這些特性之輕子就可推斷頂夸克之存在 。若頂夸克及反頂夸克均衰變為帶電輕子，微中子及底夸克，則實驗 上應觀測到一對帶電輕子，及一對底夸克。用此方法去找頂夸克的小 組稱為「雙輕子搜尋」小組，由葉恭平博士帶頭。如果是祇有頂夸克 或反頂夸克之一衰變為帶電輕子、微中子及底夸克，另一則衰變為底 夸克及另一對夸克，則實驗上應觀測到一個帶電輕子，一對底夸克及 另外兩個夸克。用此方法去找頂夸克的小組稱為「輕子－噴流搜尋」 小組，因為實驗上觀測到的夸克是許多密集粒子組成的噴流。這兩種 搜尋法各有優缺點。實驗上，我們很難確定觀測到的噴流是由底夸克 或是由其它更輕的夸克所造成。因此要觀測由頂夸克及反頂夸克衰變 而成之一對底夸克相當不容易。一個可靠的方法就是利用矽微條頂點 偵測器去觀測底夸克衰變時之頂角；另一個方法是去觀測底夸克衰變 時產生之輕子。兩種方法效率都還不夠高。對雙輕子搜尋而言，觀測 到底夸克並不是特別需要，但是對輕子－噴流搜尋，則至少需確定觀 測到一底夸克。 CDF 實驗共觀測到 12 個可能的頂夸克事件，其中有2個是雙輕子 事件，10 個是輕子－噴流事件。我們並沒辦法完全確定這些事件真 是由頂夸克－反頂夸克之衰變而來，必須等待更多的實驗數據以供更 進一步的研究。目前 CDF 實驗正在進行中，預計持續到明年夏天。 中研院高能組現在有 8 個人在費米實驗室工作。只要累積了足夠多 的數據， CDF 有信心可確認頂夸克之存在。 由觀測到之 12 個事件，CDF 推斷頂夸克之質量為 174GeV（約為 174倍質子之質量）。但是頂夸克果真如此重，按照目前物理學家的 了解， CDF 不太可能觀測到這麼多的頂夸克－反頂夸克事件。如果 CDF 對頂夸克－反頂夸克的產生之機率及頂夸克質量之推斷是對的， 則很可能當前我們對基本粒子之了解尚有不足之處。因此更進一步之 探討對理論及實驗物理學家均極重要。 在費米實驗室發佈之新聞稿中，DO至目前為止並未觀測到足夠之 事件可推斷頂夸克之存在。由於缺少追蹤用之磁場及矽微條頂點偵測 器， CDF的搜尋方法，並不完全適用於DO。 4.高能物理組簡介及參與CDF之概況 中研院物理所於三年多前，即由江紀成、鄧炳坤及成大之學生陳 彥竹組成小的高能實驗組，在國科會專案計畫補助下，參與費米實驗 室編號 E789 之實驗，探討底夸克組成之粒子（B-粒子）的稀有衰變 模式；此實驗是在強子（參與強作用之粒子）碰撞的環境下，探討B- 粒子物理的一個先驅性嘗試。目前實驗已完成，正在持續分析數據中 ；陳彥竹並已完成此實驗之部份分析結果而獲得博士學位。 兩年前，在李政道院士之鼓勵及院方之大力支持下，高能組開始 進行較長期之規劃發展，一方面引進有豐富經驗之俄國及斯拉夫克訪 問學者撒馬羅可夫及安徒斯，另一方面則積極吸收國外之年輕學者與 國內之研究生，準備參與美國之超導超能對撞機（SSC）計畫。由於 SSC是下一代之對撞機，即便完成，亦在十年之後，因此高能組在長 期規劃中，即指出必需積極參與目前進行中之強子對撞實驗，以吸收 及培訓人才。當前最重要的強子對撞實驗是在美國之費米實驗室進行 ，包括 CDF及D0 兩個大的實驗組，主要的目標在經由高能質子及反 質子的對撞，搜尋頂夸克或其它新的粒子，並深入探討媒介弱作用之 規範粒子間的作用等上面提到的一些仍待了解的謎。 高能組目前包括兩位研究人員（鄧炳坤、王明哲），八位博士後 ，兩位訪問學者，分別來自台大、清華、成大之四位學生及兩位由國 科會計畫下補助之研究助理。此外也獲得物理所訓練有素之多位技術 人員的支持。其中技士吳喜成曾於費米實驗室工作六個月，協助一精 密頂點偵測器之組裝，獲得實驗組極高之評價。 高能組於前年底向 CDF 實驗組提出加入之計畫書，並於二月中獲 准加入，成為 CDF 實驗組之一成員，中華民國也成為參與 CDF 的五 個國家之一（其餘為美、日、義、加拿大）。目前CDF實驗組由約440 位研究人員組成，分屬三十五個研究機構。 中研院高能組自加入 CDF 實驗以來，參與人員無不積極投入，表 現優異。除了去夏協助矽微條頂點偵測器（SVX'）之組裝，深受肯定 外，我們目前還負責下一代之頂點偵測器（SVXII）光學讀出系統之 研發製作。鄭茂桐博士為實驗組指定之此計畫之負責人。高能組正與 交通部電信研究所合作研發中，預計今年七月底將完成元型製作，明 年中可開始在電信所及中研院量產。若是成功，此將為在高能物理界 ，第一個在台灣本土研發製作之高科技成品；也將創光學讀出系統大 量應用在高能物理實驗之先河；對台灣在高能物理之發展，意義甚為 深遠，因此為高能組最優先投入的工作之一。此外我們在 CDF 實驗 組中，還負責SVX'及SVXII之電腦模擬工作。此工作為了解這些頂點 偵測器之功能及進行數據分析所不可缺的一環，因此也是廣受矚目的 一個重要工作。在物理方面，高能組除積極參與經由「雙輕子衰變」 模式搜尋頂夸克並探討其性質之研究外，也已開始進行電弱作用規範 粒子間之作用的探討，以及單一頂夸克之產生及衰變的研究等課題。 這些數據分析的研究，雖可在物理所內進行，但是經常至費米實驗室 與其它研究人員比對及討論結果，也是獲得最後結論前必經的過程。 高能組除了參與CDF對撞實驗外，還積極參與強作用研究、CP守 恆性探討等費米實驗室其它規模較小之實驗；目前也在袁家騮院士之 建議下，規畫與法國巴黎大學合作，進行尖端偵測器之研發工作。 國內外一般人的印象均以為高能物理研究需投入大筆之研究經費 。實際上，物理所高能組十多人雖在 CDF實驗組中負擔不少重要任務 ，本年度之經費不過約五十萬美金（不包括博士後及訪問學者薪支） ，其中一半多由國科會之專題計畫補助，其餘則由院方及物理所補助 。我們雖然希望獲得更多的支持，但以目前之人力，每年所需經費也 不會超過台幣兩千餘萬，與其它領域之大型研究計畫相比，並非特別 龐大。 在CDF 實驗中，目前已有許多跡象顯示頂夸克很可能即將被 找到。但是更重要的是，這些跡象，也透露出一些極不尋常的訊息， 顯示物理學家目前的了解，可能有不小的缺陷。很顯然我們需要更多 時間做更仔細的研究。中研院及台灣本土的許多研究人員，能有機會 參與此重要的國際合作計畫，又正逢此極具關鍵之時刻，實在是很幸 運。高能組之同仁，唯有更努力的把握此機會，才不致辜負院方、所 方及國科會之支持。