LEP運轉成功對物理界之衝擊


1989年9月237期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1989、9 ＃期號：0237 ＃專欄：科學快訊＃標題：LEP運轉成功對物理界之衝擊＃作者：葉淑卿．圖一：L3物理組，探測器系統剖示。．圖二：電子、正子在LEP內碰撞瞬間之狀態。溫度：太陽表面溫度的4千億倍時間：宇宙最初形成之第10^-19秒		LEP運轉成功對物理界之衝擊當粒子加速器LEP（Large Electron －Positron Collider）開始運轉了兩個星期，而於八月十三日凌晨得到Z粒子（弱作用之中性媒介）的消息，由歐洲粒子物理研究中心（CERN）傳出，舉世科學家莫不為其初步成功感到興奮。本人曾經參與LEP計畫兩年七個月之久，更感到高興，而且還欣慰不已。 LEP是目前全世界能量最高的電子－正子環形加速對撞器，其周長27公里，埋於瑞士與法國交界之地下50公尺處，由歐洲粒子物理研究中心負責建造，歷時八年，造價13億瑞士法郎（約8億美金）。LEP計畫有四個實驗組，其中最大之一組為L3實驗組，負責人為諾貝爾物理獎得主丁肇中博士。筆者即曾在L3組參與緲子探測器之製作。整個L3探測器系統（見圖一）包括：磁鐵、緲子探測器（themuon spectrometer）、強子能度計（the hadron calorimeter）、電磁能度計（the electromagnetic calorimeter）及頂點探測器。這些探測器均體積龐大，構造複雜，鑑別率非常高。它們被安置於地下50公尺，環繞著LEP四個對撞點其中之一，作圓柱形排列，以探測由電子、正子碰撞後能量轉移而產生之新粒子。第一期LEP計畫為電子、正子質心能量達100GeV，由於電子與正子束之高強度（luminosity,～10³¹cm^-2sec^-1），碰撞後每天可以產生數千個Z粒子，統計誤差非常小，可以精確測量Z粒子的質量（Ｍz）和寬度（Γ_z，full width at half maximum），來驗證標準模式（standard model），並且希望藉此由Z粒子蛻變產生之輕子對（lepton pair，e e）或夸克對（q q），能發現新的粒子，並找到尚未被實驗證實的頂夸克（top quark）。第二期LEP計畫，為電子、正子質心能量達到200GeV，此時電子、正子碰撞時之狀況，為模擬宇宙剛形成時之大霹靂（Big Bang　見圖二），藉此可以探討構成宇宙之最基本粒子。目前被視為基本粒子的輕子和夸克，若具有內部構造，經此可以找到答案。 LEP計畫的最重要目標之一，是尋找粒子質量的來源──希格斯（Higgs）粒子。高能物理理論，認為一般粒子之所以具有質量，是因為它和希格斯粒子作用的結果，這是目前高能物理界最熱門且最重要的話題，而希格斯粒子尚未被實驗證實。以上為LEP計畫預期達到的目標，如今Z粒子的偵測工作旗開得勝，相信這些目標不久會逐一達成。又誠如丁肇中所言「由於高能物理的理論還不完全，經由實驗很可能發現一些理論上沒預期到的現象。」所以，LEP運轉成功而向新能量領域拓展的結果，將會為物理界展開一片新氣象；比如：什麼是構成自然界最基本的結構？有多少種夸克和輕子存在？還有什麼是物質的起源？這些新的物理知識，將可在這個實驗中得到答案。 LEP計畫的成功，除了有優良的LEP對撞器之外，尚需有良好的探測器以資配合，電子、正子對撞後產生之新粒子，全依賴探測器系統的偵測及鑑定，因此探測器的設計與製造，全由物理學者與工程師配合，來總負其責。例如L3組之探測器系統的製造，即網羅了13個國家，四百多位物理學者（來自世界各地三十多所研究機構和大學）的參與，其造價約2億瑞士法郎（約1.2億美金）。建成後又經過不斷測試與改進，歷時六年才完成；所以此次Z粒子之順利取得，證明了探測器系統的設計與製造頗為成功。由於要求探測器的高準確度，因此連帶提升了目前工業界的精密度及技術。總之，LEP運轉成功，不僅在物理界提供嶄新面目的遠景，並且也促成工業技術的提升。我們都知道先進的物理是基於理論與實驗的互相驗證才能達成。環顧國內高能物理界，由於實驗環境的欠缺，造成實驗人才的不足，為了彌補這方面的缺失，國家應極力贊助培訓實驗人才的計畫。可藉參與國際合作實驗計畫，得以進入國外第一流實驗室（如歐洲的CERN、美國的費米實驗室等）工作，獲取最先進的實驗知識與技術，從而彌補國內實驗環境的欠缺。近年來亞洲國家如日本的KEK高能物理研究機構，首先於1987建造了30 GeV（max. beam energy）的電子－正子對撞器；接著中國大陸的北京高能研究所，也於1988年完成了2.8 GeV的電子－正子對撞器。台灣若想將來在國際高能物理界躋上一席之地，該如何進行呢？實值得國內物理界同仁及主持國家科學發展的機構深思！！葉淑卿任教於清華大學物理系
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1989年9月237期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1989、9 ＃期號：0237 ＃專欄：科學快訊＃標題：LEP運轉成功對物理界之衝擊＃作者：葉淑卿．圖一：L3物理組，探測器系統剖示。．圖二：電子、正子在LEP內碰撞瞬間之狀態。溫度：太陽表面溫度的4千億倍時間：宇宙最初形成之第10^-19秒		LEP運轉成功對物理界之衝擊當粒子加速器LEP（Large Electron －Positron Collider）開始運轉了兩個星期，而於八月十三日凌晨得到Z粒子（弱作用之中性媒介）的消息，由歐洲粒子物理研究中心（CERN）傳出，舉世科學家莫不為其初步成功感到興奮。本人曾經參與LEP計畫兩年七個月之久，更感到高興，而且還欣慰不已。 LEP是目前全世界能量最高的電子－正子環形加速對撞器，其周長27公里，埋於瑞士與法國交界之地下50公尺處，由歐洲粒子物理研究中心負責建造，歷時八年，造價13億瑞士法郎（約8億美金）。LEP計畫有四個實驗組，其中最大之一組為L3實驗組，負責人為諾貝爾物理獎得主丁肇中博士。筆者即曾在L3組參與緲子探測器之製作。整個L3探測器系統（見圖一）包括：磁鐵、緲子探測器（themuon spectrometer）、強子能度計（the hadron calorimeter）、電磁能度計（the electromagnetic calorimeter）及頂點探測器。這些探測器均體積龐大，構造複雜，鑑別率非常高。它們被安置於地下50公尺，環繞著LEP四個對撞點其中之一，作圓柱形排列，以探測由電子、正子碰撞後能量轉移而產生之新粒子。第一期LEP計畫為電子、正子質心能量達100GeV，由於電子與正子束之高強度（luminosity,～10³¹cm^-2sec^-1），碰撞後每天可以產生數千個Z粒子，統計誤差非常小，可以精確測量Z粒子的質量（Ｍz）和寬度（Γ_z，full width at half maximum），來驗證標準模式（standard model），並且希望藉此由Z粒子蛻變產生之輕子對（lepton pair，e e）或夸克對（q q），能發現新的粒子，並找到尚未被實驗證實的頂夸克（top quark）。第二期LEP計畫，為電子、正子質心能量達到200GeV，此時電子、正子碰撞時之狀況，為模擬宇宙剛形成時之大霹靂（Big Bang　見圖二），藉此可以探討構成宇宙之最基本粒子。目前被視為基本粒子的輕子和夸克，若具有內部構造，經此可以找到答案。 LEP計畫的最重要目標之一，是尋找粒子質量的來源──希格斯（Higgs）粒子。高能物理理論，認為一般粒子之所以具有質量，是因為它和希格斯粒子作用的結果，這是目前高能物理界最熱門且最重要的話題，而希格斯粒子尚未被實驗證實。以上為LEP計畫預期達到的目標，如今Z粒子的偵測工作旗開得勝，相信這些目標不久會逐一達成。又誠如丁肇中所言「由於高能物理的理論還不完全，經由實驗很可能發現一些理論上沒預期到的現象。」所以，LEP運轉成功而向新能量領域拓展的結果，將會為物理界展開一片新氣象；比如：什麼是構成自然界最基本的結構？有多少種夸克和輕子存在？還有什麼是物質的起源？這些新的物理知識，將可在這個實驗中得到答案。 LEP計畫的成功，除了有優良的LEP對撞器之外，尚需有良好的探測器以資配合，電子、正子對撞後產生之新粒子，全依賴探測器系統的偵測及鑑定，因此探測器的設計與製造，全由物理學者與工程師配合，來總負其責。例如L3組之探測器系統的製造，即網羅了13個國家，四百多位物理學者（來自世界各地三十多所研究機構和大學）的參與，其造價約2億瑞士法郎（約1.2億美金）。建成後又經過不斷測試與改進，歷時六年才完成；所以此次Z粒子之順利取得，證明了探測器系統的設計與製造頗為成功。由於要求探測器的高準確度，因此連帶提升了目前工業界的精密度及技術。總之，LEP運轉成功，不僅在物理界提供嶄新面目的遠景，並且也促成工業技術的提升。我們都知道先進的物理是基於理論與實驗的互相驗證才能達成。環顧國內高能物理界，由於實驗環境的欠缺，造成實驗人才的不足，為了彌補這方面的缺失，國家應極力贊助培訓實驗人才的計畫。可藉參與國際合作實驗計畫，得以進入國外第一流實驗室（如歐洲的CERN、美國的費米實驗室等）工作，獲取最先進的實驗知識與技術，從而彌補國內實驗環境的欠缺。近年來亞洲國家如日本的KEK高能物理研究機構，首先於1987建造了30 GeV（max. beam energy）的電子－正子對撞器；接著中國大陸的北京高能研究所，也於1988年完成了2.8 GeV的電子－正子對撞器。台灣若想將來在國際高能物理界躋上一席之地，該如何進行呢？實值得國內物理界同仁及主持國家科學發展的機構深思！！葉淑卿任教於清華大學物理系
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