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更新日期:109年6月1日

臺大學術卓越系列報導—理學院 前進大強子對撞機CMS實驗第二期升級計畫

位在瑞士日內瓦、歐洲核子物理實驗室CERN的大強子對撞機LHC,是人類建造出來至今能量最高的粒子加速器;而CMS實驗也是到目前為止最精密的粒子偵測器之一。利用CMS偵測器收集而來的大量實驗數據,可以讓物理學家仔細驗證已知的物理反應,尋找從所未見的新粒子,包括2013年的諾貝爾物理學獎、希格斯玻色子的發現,進而測試是否有任何超過「標準模型」物理的徵兆。

粒子物理的「標準模型」描述所有不能再次分割的基本粒子,其種類、特性,以及它們怎麼進行交互作用。同時整合自然界裡的三個基本作用力:強作用、弱作用,以及電磁作用,也就是除了重力以外,都已經被包含在這一個理論框架中。自過去數十年以來,物理學家努力地提升實驗量測的精準度、也同時提高理論預測的準確性,標準模型已經通過了許多嚴格的檢驗。然而標準模型並沒有能力完整的回答自然界、宇宙裡所有的問題。科學家依然不斷地提出新的想法,藉由修改理論、或是增加新的粒子組合,或許就能夠回答部分的未解之謎。

臺灣大學理學院、物理系在高能實驗領域共有七名教授:系主任張寶棣教授、講座教授侯維恕、講座教授熊怡、王名儒教授、陳凱風教授、裴思達教授、呂榮祥副教授,有不同的專精項目,從偵測器硬體製作、數據擷取軟硬體、後端大數據統計、理論探討分析都能包辦。自1994年起開始參與數個國際級的大型實驗計畫,包括高亮度正負電子對撞的Belle/BelleII實驗、量測微中子震盪的Dayabay/Juno實驗、專注於稀有K介子衰變的KOTO實驗,以及大強子對撞機底下的CMS實驗。

臺大高能實驗自2000年初即加入CMS團隊,負責Preshower子偵測器的建造。Preshower以矽半導體為主要材料,可以增進量能器的空間解析度,進而幫助判別衰變自希格斯玻色子的光子對。完成Preshower子偵測器後,臺大團隊倚靠科技部攻頂計畫、與台大的支援下,加入CMS實驗第一階段升級計畫,與CERN團隊直接合作、投入矽像素偵測器的製造與維運。矽像素偵測器量測所有帶電荷的粒子軌跡,可以說是整個實驗的核心裝備。台大團隊躋身尖端學術與科技發展。專注於矽偵測器製作,與提供相關電子電路,十分符合台灣工業之強項。

除了硬體、偵測器製造以外,也在物理數據分析上有豐碩的成果。臺大團隊從Preshower子偵測器出發,進而切入希格斯玻色子衰變到雙光子的分析。對於新玻色子的發現、以及後續的物理特性量測,都有相當程度的貢獻。既然LHC的主要目標是尋找超越標準模型的新物理,因此在實驗初期即以搜尋第四代夸克、以及延伸出來的矢量夸克、奇異夸克等等還沒有被驗證、但是存在理論預測中新粒子的搜尋為主。在實驗初期就能以相對少量的實驗數據,得出超過費米實驗室Tevatron對撞機的研究結果,將重夸克的質量下限顯著地推進。除了搜尋重夸克以外,台大團隊也根據過去在「味物理」分析的經驗,貢獻在頂夸克的特性量測、與稀有B介子衰變研究。重要的結果包括:頂夸克的變味中性流、CP破壞參數量測、以及發現B介子到雙緲子的稀有衰變等等。後者是B物理裡最重要的研究主題之一,並且在2015年誕生出LHC實驗的第一篇Nature論文、 也是關於B物理研究的第二篇。

在實驗室裡面,有兩個方式可以用來尋找超越標準模型的「新物理」:一種是盡可能的拉高對撞機的能量,直接產生所未見的新粒子;或是收集大量的實驗數據,在細節中尋找蛛絲馬跡,間接檢測新物理的影響。接下來CERN的研究工作重點、高亮度LHC的二期升級計畫,可以說是完全依照這樣的準則來設計的;大量地收集高能量的對撞數據,期望能夠發現過去從所未見的物理現象、或是替已知的物理反應進行精密量測,進而對我們所生存宇宙的本質有更近一步的了解。

臺大團隊也已經加入此第二階段升級計畫、並完成簽約,最主要的工作就是替CMS實驗發展次世代的高粒度量能器HGCAL,並成為模組研發與生產中心之一。高粒度量能器倚賴台大團隊在矽半導體偵測器上的卓越經驗,能夠在高亮度LHC超高輻射下的嚴苛環境工作,並提供高精準度的粒子能量量測。目前研發工作已經如火如荼的展開,實驗室已經進入預備狀態,工作進度緊跟著領航實驗室的腳步,是目前為止動作最快的中心。預計可以在接下來快速進入模組量產,並趕在高亮度LHC加速器重新啟動前,送到瑞士作最後的偵測器組裝。而實驗室除了從事研發與偵測器模組生產,也同時拓展與其他高能實驗、或粒子天文的應用發展,並尋求與電機、電子等相關產業合作。

粒子物理學一直都是專注在研究自然界最小的基本構成元素,並且試圖詮釋已觀察到基本粒子之間的交互作用。由於研究計畫的複雜性、以及其規模,這些研究必須倚賴國際團隊和大型實驗室之間的密切合作才能成行。台大團隊成功地證明,可以藉由加入國際一流的研究計畫,在物理社群中擔任顯著的角色,並產出重要的研究成果。

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