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上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現

上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現

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9789862624142
巴格特
柯明憲
貓頭鷹
2020年2月13日
160.00  元
HK$ 136
省下 $24
 
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ISBN:9789862624142
  • 叢書系列:貓頭鷹書房
  • 規格:平裝 / 304頁 / 21 x 14.8 x 2 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:0歲~99歲
    貓頭鷹書房


  • 自然科普 > 科普叢書











    若二十世紀最重要的科學是相對論,


    無庸置疑,二十一世紀就是希格斯粒子!


      首本最完整的希格斯粒子傳記


      耗資數十億美元、集結上千科學家、尋找長達五十年──希格斯粒子究竟是什麼?


      為了尋找神祕的希格斯粒子,歐洲核子研究組織(CERN)集結了超過六千名科學家,耗資數十億美元,建造了大型強子對撞機,所處的圓形隧道有二十七公里長,堪稱有史以來最昂貴的科學實驗!


      希格斯粒子如何成為質量問題的解謎關鍵?


      希格斯機制在一九六四年被發表,解釋了標準模型理論的質量問題。當理論中的粒子一一被發現,難以捉摸的希格斯粒子便成了標準模型的最後一塊拼圖。這段長達五十年的驗證過程,希格斯粒子終於在二○一二年七月被CERN研究團隊發現,科學界歡欣鼓舞,也顯示粒子物理學即將進入新紀元。


      本書作者將時間拉回一百年前,從物質、能量、質量的概念開始說起,清楚描述粒子物理學的理論進程,隨著一個個理論的發明,也讓我們看見希格斯粒子的誕生。看看物理學家如何輪番上陣,時而獨撐大局,時而連袂出擊,一步步過關斬將,驗證了希格斯場。作者更帶領我們聆聽物理學家的討論,彷彿親自參與希格斯粒子的發現過程,經歷標準模型被驗證的歷史。而看似撲朔迷離的希格斯粒子,又如何被粒子物理學家米勒輕鬆解釋,還說服英國政府掏錢贊助CERN呢?不僅如此,希格斯粒子的研究計畫為何在美國國會胎死腹中,卻在歐洲得到萬眾矚目,其過程也饒富趣味。


      本書前言由諾貝爾物理學獎得主暨粒子物理學泰斗溫伯格專文推薦,可謂首本最完整的希格斯粒子傳記,書中清楚解釋眾多理論與實驗內容,細膩描繪不同理論的消長,直指希格斯粒子為標準模型的關鍵拼圖。尋找希格斯粒子的過程精彩可期,也為希格斯粒子發現後的物理發展留下伏筆。


     





    深入導讀:希格斯粒子奇異之旅 高涌泉



    前言

    序 幕 組成與物質

    第一部 發明

     第一章 如詩般的邏輯概念

     第二章 不是個好理由

     第三章 無法理解這理論的價值所在

     第四章 對的想法,卻應用錯了問題

     第五章 我辦得到

    第二部 發現

     第六章 捉摸不定的中性流

     第七章 非 W粒子莫屬

     第八章 放手一搏

     第九章 美妙時刻

     第十章 莎士比亞的問題

    尾 聲 質量從何而來





    希格斯粒子奇異之旅

    高涌泉�台灣大學物理學系教授

    二○一二年七月四日,歐洲核子研究組織(CERN)主任霍爾(Rolf-Dieter Heyer)主持了一場全球矚目的學術發表會,隨後召開記者會,宣布CERN位於瑞士日內瓦的大強子對撞機(LHC)的兩個實驗團隊ATLAS與CMS,發現了一個質量約125 GeV的嶄新基本粒子。這個粒子的性質很類似物理學家期盼已非常久的希格斯粒子,使得大家的興奮之情達到最高點。各式媒體大幅報導了這個近幾年來最重要、也最貴(LHC加速器與ATLAS、CMS兩個偵測器的建造共花費近百億美金)的科學發現,讓一般民眾多少也知曉這是難得一見的歷史事件。

    去年CERN在宣布這個發現時,還很謹慎地說他們尚不能肯定這個新粒子就是希格斯粒子,所以只稱呼這個粒子是「類希格斯粒子」。粒子理論學家早從量子場論架構推論出希格斯教授與其他人於一九六四年提出的「希格斯機制」必須存在,否則無從解釋弱交互作用理論的某些特性(如低階計算的合理性,即可重整化性)。粒子物理中的「標準模型」即是實現希格斯機制的最簡單理論,這個理論只包含單一個希格斯粒子(我這裡稱之「標準希格斯粒子」);物理學家也可以建構更複雜的理論來體現希格斯機制,在這種狀況下希格斯粒子可能就不只一個,其性質會和標準希格斯粒子有些微差異。所以「類希格斯粒子」的出現固然符合物理學家期待,因為這表示希格斯機制是對的,但是大家又希望這個粒子最好不要是「標準希格斯粒子」,因為如此一來我們才能抓到標準模型的缺失,粒子物理才有繼續前進發展的依據。

    所以,自CERN去年的宣布至今,大家關注的問題即是「類希格斯粒子」到底是不是「標準希格斯粒子」。在去年七月之後,實驗團隊已累積了更多的數據,分析的結論是「類希格斯粒子」的確愈來愈像是「標準希格斯粒子」,這是讓人既意外又有些失望的結果。在去年的數據中,「類希格斯粒子」衰變成兩個光子的機率超過標準模型的預測,讓不少人相當興奮,但是最新的數據卻顯示實驗與理論的差距縮小了;如果將ATLAS與CMS的結果平均起來,實驗與理論在誤差範圍內,大致相符。

    在標準模型出現之初,物理學家使用希格斯機制的主要動機在於賦予傳遞弱交互作用的W粒子與Z粒子質量,(當初希格斯以及其他人提出希格斯機制的靈感就來自於前人對於超導體中「麥斯納效應」的研究,而麥斯納效應指的正是光子在超導體內部帶有質量的狀況),這種機制讓理論具有上面提到的可重整化優點;後來物理學家又將它推廣至賦予夸克、緲子、電子等基本費米子(即不包括質子、中子等組合費米子)質量;就基本費米子的質量來源而論,這種做法固然有某些優點,卻沒有邏輯的迫切性。但是既然「標準希格斯粒子」的證據愈來愈多,我們便確知基本費米子的質量也與希格斯機制密切相關,這是ATLAS與CMS實驗最重要的成果。

    我們已經從LHC這個巨大加速器學到很多東西,但是遊戲還沒結束─現在LHC正停機檢修,兩年後再次啟動時,能量將提高1.5倍以上。誰能肯定地說目前的結論未來不會再受到修正呢?屆時我們就更清楚「標準希格斯粒子」到底有多標準,以及它是否還有其他更重的兄弟姊妹。

    希格斯粒子的故事是粒子物理最奇特、精彩的故事,涉及人物之多前所未見,其中之曲折與緊張不亞於偵探小說。本書完整地說明了這個粒子至今約五十年的一生,可以滿足想更深入了解希格斯故事的讀者。




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