臺大學(xué)術(shù)卓越系列報(bào)導(dǎo)—理學(xué)院 前進(jìn)大強(qiáng)子對撞機(jī)CMS實(shí)驗(yàn)第二期升級計(jì)畫

位在瑞士日內(nèi)瓦、歐洲核子物理實(shí)驗(yàn)室CERN的大強(qiáng)子對撞機(jī)LHC，是人類建造出來至今能量最高的粒子加速器；而CMS實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以讓物理學(xué)家仔細(xì)驗(yàn)證已知的物理反應(yīng)，尋找從所未見的新粒子，包括2013年的諾貝爾物理學(xué)獎、希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而測試是否有任何超過「標(biāo)準(zhǔn)模型」物理的徵兆。

粒子物理的「標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行交互作用。同時整合自然界裡的三個基本作用力：強(qiáng)作用、弱作用，以及電磁作用，也就是除了重力以外，都已經(jīng)被包含在這一個理論框架中。自過去數(shù)十年以來，物理學(xué)家努力地提升實(shí)驗(yàn)量測的精準(zhǔn)度、也同時提高理論預(yù)測的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)通過了許多嚴(yán)格的檢驗(yàn)。然而標(biāo)準(zhǔn)模型並沒有能力完整的回答自然界、宇宙裡所有的問題?？茖W(xué)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(xué)理學(xué)院、物理系在高能實(shí)驗(yàn)領(lǐng)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(fēng)教授、裴思達(dá)教授、呂榮祥副教授，有不同的專精項(xiàng)目，從偵測器硬體製作、數(shù)據(jù)擷取軟硬體、後端大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、理論探討分析都能包辦。自1994年起開始參與數(shù)個國際級的大型實(shí)驗(yàn)計(jì)畫，包括高亮度正負(fù)電子對撞的Belle/BelleII實(shí)驗(yàn)、量測微中子震盪的Dayabay/Juno實(shí)驗(yàn)、專注於稀有K介子衰變的KOTO實(shí)驗(yàn)，以及大強(qiáng)子對撞機(jī)底下的CMS實(shí)驗(yàn)。

臺大高能實(shí)驗(yàn)自2000年初即加入CMS團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)Preshower子偵測器的建造。Preshower以矽半導(dǎo)體為主要材料，可以增進(jìn)量能器的空間解析度，進(jìn)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(tuán)隊(duì)倚靠科技部攻頂計(jì)畫、與臺大的支援下，加入CMS實(shí)驗(yàn)第一階段升級計(jì)畫，與CERN團(tuán)隊(duì)直接合作、投入矽像素偵測器的製造與維運(yùn)。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(shí)驗(yàn)的核心裝備。臺大團(tuán)隊(duì)躋身尖端學(xué)術(shù)與科技發(fā)展。專注於矽偵測器製作，與提供相關(guān)電子電路，十分符合臺灣工業(yè)之強(qiáng)項(xiàng)。

除了硬體、偵測器製造以外，也在物理數(shù)據(jù)分析上有豐碩的成果。臺大團(tuán)隊(duì)從Preshower子偵測器出發(fā)，進(jìn)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(fā)現(xiàn)、以及後續(xù)的物理特性量測，都有相當(dāng)程度的貢獻(xiàn)。既然LHC的主要目標(biāo)是尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，因此在實(shí)驗(yàn)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(yàn)證、但是存在理論預(yù)測中新粒子的搜尋為主。在實(shí)驗(yàn)初期就能以相對少量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出超過費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對撞機(jī)的研究結(jié)果，將重夸克的質(zhì)量下限顯著地推進(jìn)。除了搜尋重夸克以外，臺大團(tuán)隊(duì)也根據(jù)過去在「味物理」分析的經(jīng)驗(yàn)，貢獻(xiàn)在頂夸克的特性量測、與稀有B介子衰變研究。重要的結(jié)果包括：頂夸克的變味中性流、CP破壞參數(shù)量測、以及發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)的第一篇Nature論文、 也是關(guān)於B物理研究的第二篇。

在實(shí)驗(yàn)室裡面，有兩個方式可以用來尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的「新物理」：一種是盡可能的拉高對撞機(jī)的能量，直接產(chǎn)生所未見的新粒子；或是收集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在細(xì)節(jié)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(diǎn)、高亮度LHC的二期升級計(jì)畫，可以說是完全依照這樣的準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)的；大量地收集高能量的對撞數(shù)據(jù)，期望能夠發(fā)現(xiàn)過去從所未見的物理現(xiàn)象、或是替已知的物理反應(yīng)進(jìn)行精密量測，進(jìn)而對我們所生存宇宙的本質(zhì)有更近一步的了解。

臺大團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)加入此第二階段升級計(jì)畫、並完成簽約，最主要的工作就是替CMS實(shí)驗(yàn)發(fā)展次世代的高粒度量能器HGCAL，並成為模組研發(fā)與生產(chǎn)中心之一。高粒度量能器倚賴臺大團(tuán)隊(duì)在矽半導(dǎo)體偵測器上的卓越經(jīng)驗(yàn)，能夠在高亮度LHC超高輻射下的嚴(yán)苛環(huán)境工作，並提供高精準(zhǔn)度的粒子能量量測。目前研發(fā)工作已經(jīng)如火如荼的展開，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，工作進(jìn)度緊跟著領(lǐng)航實(shí)驗(yàn)室的腳步，是目前為止動作最快的中心。預(yù)計(jì)可以在接下來快速進(jìn)入模組量產(chǎn)，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(shí)驗(yàn)室除了從事研發(fā)與偵測器模組生產(chǎn)，也同時拓展與其他高能實(shí)驗(yàn)、或粒子天文的應(yīng)用發(fā)展，並尋求與電機(jī)、電子等相關(guān)產(chǎn)業(yè)合作。

粒子物理學(xué)一直都是專注在研究自然界最小的基本構(gòu)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(jì)畫的複雜性、以及其規(guī)模，這些研究必須倚賴國際團(tuán)隊(duì)和大型實(shí)驗(yàn)室之間的密切合作才能成行。臺大團(tuán)隊(duì)成功地證明，可以藉由加入國際一流的研究計(jì)畫，在物理社群中擔(dān)任顯著的角色，並產(chǎn)出重要的研究成果。