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【撰文／赫勒曼斯（Alexander Hellemans）】

在找尋希格斯粒子的競爭中，費米實驗室暫時領先。

費米實驗室主注入環（圖片前方）將加速的粒子注入正負質子對撞機環（後方），後者的直徑達兩公里，位於地底10公尺處。粒子經過撞擊之後，生成了沒有反粒子相伴的單一頂夸克。

世界上最大的加速器，是位於瑞士日內瓦附近歐洲核子

研究組織（CERN）的「大型強子對撞機」（LHC），它在這幾個月內便會開始運作。即便如此，它若是想在幾年內奪走「正負質子對撞機」（Tevatron collider）的風采，還是得費盡一番心力。正負質子對撞機位於美國伊利諾州巴達維亞的費米國家實驗室，最近，它似乎撞擊出了一個個形單影隻的頂夸克。這項發現已於2006年12月發表，它縮小了長期以來所尋找希格斯粒子的質量範圍，而費米實驗室也更有可能搶先LHC一步，找到希格斯粒子。

1995年，費米實驗室首度製造出了頂夸克，它是六種夸克之中最重也最難以捉摸的。他們將質子與反質子對撞，產生了頂夸克和反頂夸克，這對頂–反頂夸克是從所謂的強核力（將夸克綁在一起的力）所生成。根據粒子物理標準模型，有極少見的情況下，頂夸克會在弱核力（它會產生放射性衰變並且轉換夸克的「風味」）的對撞中生成，而這種自弱核力生成的頂夸克，不會伴隨著反頂夸克，反而是伴隨著反底夸克。

不僅製造單一個頂夸克困難重重，它的訊號亦模糊難辨。美國加州大學河濱分校的物理學家，也是DZero（使用正負質子對撞機的兩個研究群之一）的共同主持人韓森（Ann Heinson）表示：「這些看似單一頂夸克訊號的事件，其背景雜訊都很高。」

2002年至今的上兆筆對撞記錄中，DZero已經辨認出62筆單一頂夸克的事件。這些證據並不算多，但是對正負質子對撞機的研究人員而言已是極大的鼓舞，有望搶先CERN的LHC一步，捕捉到希格斯粒子。在標準模型的理論架構下，這種「上帝粒子」（God particle）將能解釋何以質子、中子和其他種類的物質會具有質量。

然而偵測單一頂夸克，不過是正負質子對撞機尋找希格斯粒子的熱身運動。任教於法國巴黎大學，也是DZero希格斯物理團隊主持人之一的柏納迪（Gregorio Bernardi）表示：「如果希格斯粒子的質量夠低，就會發出和單一頂夸克一樣的衰變訊號：一個W粒子、一個底夸克，和一個反底夸克。」由於這個相似之處，該團隊為尋找單一頂夸克所發展出來的先進分析技術，便能派上用場。韓森補充：「我們對於單一頂夸克的背景，已有了更進一步的認識和建構模型，這些都可以直接運用在尋找希格斯粒子的工作上。」而讓正負質子對撞機領先LHC的是背景雜訊。正負質子對撞機讓質子和反質子對撞，於是組成它們的夸克和反夸克會直接相撞；但在LHC中，和質子對撞的是質子，因此夸克最後便會在一片由夸克–反夸克對所組成的汪洋中和反夸克相撞，而這片汪洋又是在反質子之中不斷生滅，使得數據分析更複雜。

至於正負質子對撞機，目前事情進行得頗為順利。今年1月，費米實驗室的碰撞探測器實驗小組（CDF），宣佈將W玻色子質量的範圍縮小到0.06%，這是有史以來的最佳成績。由於W玻色子最新的質量出爐，希格斯粒子的質量上限，便從166GeV下修到153GeV，這使得希格斯粒子質量更有可能接近其114GeV的下限。

CDF的成員，並任職於義大利帕多瓦大學的多瑞哥（Tommaso Dorigo）認為，要是希格斯粒子的質量大約在114GeV，LHC要找到這麼輕的希格斯粒子，會比正負質子對撞機更加困難。LHC必須偵測希格斯粒子衰變所生成的兩道γ射線，而這在很強的背景雜訊中，會比正負質子對撞機偵測希格斯粒子衰變後所生成的底夸克和反底夸克難得多。

比較重的希格斯粒子的質量高於130GeV，那麼它就有可能不會在費米實驗室中現身，因為正負質子對撞機撞擊的力道，只有LHC的1/7。CERN的實驗物理學家普蘭（David Plane）解釋，事實上，LHC會很快就發現這種重的希格斯粒子，但他同時也承認：「直到2010年，甚至之後，正負質子對撞機在這個領域仍會是箇中翹楚。」

【本文轉載自科學人2007年4月號】