打開盒子那一刻
"6月15日，參與大強子對撞機（LHC）的第一線科學家親眼見證了「盒子」裡的希格斯粒子訊號；集合眾人之力的「大科學」LHC團隊打了漂亮的一仗。 "
撰文／張元翰
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重點提要
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6月15日下午，同事郭家銘寄來一封電子郵件，揭開了我研究生涯中最激動的兩週。郭家銘的郵件內容僅有短短的三行，說「盒子已經打開，125GeV處確有信號」，最後，他又加了一句，要我絕對保密。郵件內容雖然簡單，但對一個從事粒子物理實驗30年的人來說，卻是驚心動魄。
所謂「盒子打開」，是數據分析的一個手法，目的在於避免研究人員看到未成熟的結果，有了預期心理，而開發出帶有偏見的分析方法。所以在數據分析的初期，不准大家提早做出最後的結果（把結果封入盒中），直到分析方法都完善了，不再更動，才「打開盒子」，看結果如何。
6月15日是預定打開希格斯粒子盒子的日子，郭家銘的郵件說的就是尋找希格斯粒子已有結果。我馬上想到的是，希格斯粒子終於露出狐狸尾巴，標準模型再也不是一個不完整的理論了，大筆的投資不再是無意義的浪費。我內心興奮之餘，也立刻浮現無數的疑問，過去幾次傳出希格斯粒子的消息，後來都證實是由於統計漲落，甚至是分析方法錯誤造成的，這次是否又重演類似的結果？這個問題是所有物理學家都縈繞在心頭的。
對於從事粒子物理實驗的科學家來說，尋找希格斯粒子可說是過去20年來整個加速器實驗發展的主要動力。自從大型電子正子對撞機（LEP）測量了Z和W粒子的質量與特性後，標準模型所描述的粒子世界只剩下希格斯粒子還包圍在種種未解謎團之中。期間雖然有頂夸克和τ微中子的發現，對我而言都遠比不上希格斯粒子的重要，主要原因是這兩個粒子是所謂的「序列」粒子，同一序列的其他粒子早就被發現了，因此大多數物理學家相信發現它們只是早晚的事。反觀希格斯粒子是唯一自旋為零的基本粒子，又關係到最神秘的「質量」來源，理論的不確定性很大。標準模型對希格斯粒子的描述斧鑿痕跡很重，不像其他部份那麼渾然天成。我們相信一定存在著某種機制來解決質量的問題，但不能確定大自然是否選擇希格斯（Peter W. Higgs）、翁勒（Francois Englert）與布饒特（Robert Brout）等人在45年前所提的方案。
量身打造的探測器
大強子對撞機（LHC）和其上的探測器，在設計之初就把偵測希格斯粒子當做第一要務。理論學家告訴我們，希格斯粒子的質量應該小於1兆電子伏特（1TeV），否則標準模型無法自圓其說。換句話說，在1TeV以下找不到，就該發現我們沒有想到的其他新現象。因此，LHC的對撞能量設定在14TeV，足以產生1TeV的希格斯粒子，而探測器設計也針對它的各種衰變模式量身打造。
中央大學和台灣大學在2000年加入緊緻緲子螺管偵測器實驗（CMS），建造了CMS的「前置簇射探測器」，它是專門針對希格斯粒子衰變成兩個高能光子的模式而設計。同時，LHC的物理分析也一直以搜尋希格斯粒子的能力為主要的優化指標。在LHC開始運轉前，我們早就根據標準模型，把各種可能衰變模式，透過模擬軟體仔細研究，針對不同的質量找出了最適宜的分析方案。
另外，理論學家也提出不少非標準的希格斯粒子，他們預測了很不同的衰變模式和產生機率，我們也都一一模擬。我想總有上百種衰變模式和分析方法被仔細研究過，這大概是未發現前被研究得最透徹的一個粒子了。這次的發現，相當符合先前的預期，許多實驗同仁不免慨嘆，自然界竟然沒有給我們任何驚奇，一切按照理論學家的預期進行，實在有點「反高潮」。不過這也言之過早，真要確定這個新粒子一切吻合希格斯的預測，我們還有很長的路要走。（本文以下將新發現的粒子稱為希格斯粒子，僅是為了方便行文的權宜之舉）......
