所有复杂的事件都是由少数基本的事件所组成;这些基本的事件，就是在描述基本粒子间的变化

物理所高能物理组研究简介

物理研究所副所长 李世昌

1.粒子物理研究

物理学家相信，所有复杂的事件都是由少数基本的事件所组成；
而这些基本的事件，就是在描述基本粒子间的变化。例如电子吸收或
放出一光子而改变其运动之方向就是一个基本事件。

基本粒子大致分为两类，第一类是构成物质的主要成份，包括夸
克及轻子（电子）；第二类主要是媒介基本粒子间的作用，包括媒介
电磁作用的光子、媒介强作用的胶子，及媒介弱作用的W、Z 等「规
范粒子」。描述W、Z 及胶子的理论是描述光子的电磁理论的推广；
此推广的理论首由杨振宁院士提出，因此称为「杨－密尔思规范场论
」。对这一类规范场论，物理学家的了解还不是很透彻，因此还是理
论及实验上一个主要的研究方向。

目前已知的夸克及轻子各有三代，每一代包括两个夸克及两个轻
子。第一代的夸克称为上夸克及下夸克，轻子则为电子及电子微中子
。第二代的夸克为奇夸克及魅夸克。丁肇中院士即因首先证实魅夸克
的存在而获诺贝尔奖。第三代的夸克称为底夸克及顶夸克。顶夸克至
目前尚未发现，只知其可能较铯原子还重。三代的夸克及轻子间的质
量差异极大，此差异之来源，也是一个待解之谜。

除了物质之外，还有反物质。譬如质子有对应之反质子，电子有
对应之反电子（或称正子），夸克有对应之反夸克。物理学家相信若
将时间之方向反转，左右对调，同时将正、反物质交换，则物理定律
不变。此对称性通称为「TPC 守恒律」。一个重要的问题是：若
只是时间反转，或只是左右对调，或正、反物质交换，物理定律是否
仍然不变？杨振宁及李政道院士即因首先指出弱作用在左右对调下不
具对称性，并经吴健雄院士实验证实而获诺贝尔奖。虽然弱作用不具
左右对调之对称性，但是在绝大多数观测到的现象中，若将左右对调
同时又将正、反物质交换则仍是对称的；此对称性称为「CP守恒律」
。我们知道宇宙间，大部分是物质而非反物质，若是物理定律具CP对
称性，则很难理解此宏观的物质－反物质之不对称现象。因此，CP对
称破坏之研究，也是当前粒子物理研究之一主要课题。

因为底夸克早已被发现，物理学家相信底夸克的配对－顶夸克也
应该存在。如果找不到顶夸克，就表示当前对基本粒子物理的了解有
很大的缺陷。若顶夸克在费米实验被发现了，则需要更进一步了解其
性质，以确定是否和物理学家目前之了解吻合。很有可能经由对顶夸
克及其衰变产生之弱作用规范粒子之研究，而对上面所提到的一些待
解之谜，提供宝贵之线索。

2.费米实验室及正反质子对撞实验实验组

费米实验室位于美国中部芝加哥市西郊，为能源部所支持之最重
要的粒子物理国家实验室之一。实验室主要之设施为一周长约四英哩
之质子加速器，可将质子及反质子加速到9千亿电子伏特，以进行质
子－反质子对撞之观测；另外也提供许多射束线，可将高能质子引出
，以进行质子与固定靶撞击之实验。费米实验室为当前能量最高之质
子加速器实验室，只有在此进行对撞实验，才有可能找到顶夸克。

目前进行质子－反质子对撞实验的有CDF（Collider Detector at
Fermilab）及DO两个实验组，CDF 由来自美国、加拿大、日本、义大
利及中华民国等五个国家，分属35 个大学或研究机构之439位研究人
员组成。 CDF 探测器总重5000 吨，有三层楼高，十万个电子读出频
道，实验进行时，一周7 天，一天24 小时运转，因此参与之研究人
员需要轮值8小时之班，监控实验仪器。

高能组研究人员列在此次费米实验室公布之CDF 名单上的有包括
叶恭平等12 人。中央研究院物理研究所则列名于35个研究机构之一
。

CDF实验之发言人每两年「普选」一次，目前为Lawrence
Berkeley Laboratory之资深物理学家WC Carithers，Jr. 及芝加
哥大学教授M.J. Shochet。后者自1988年起即为发言人，而前者则是
1993 年被选上取代刚退休之AV Tollestrup 。 Tollestrup 将
于五月中旬来台参加研讨会。

DO实验由来自美国、墨西哥、哥伦比亚、巴西、印度、韩国、俄
国等七个国家，分属43个研究机构之420位研究人员组成。 DO之能量
仪较CDF 精密，但它没有磁铁提供量测带电粒子动量之磁场，也没有
顶点侦测器，因此在顶夸克之搜寻上，一般以为目前较CDF有不及之
处。

3.CDF实验组及费米实验室发布之新闻及其意义

过去九个月来，CDF 实验组对上一次实验收集之数据，进行了深
入的分析。在顶夸克之搜寻方面，有数个小组分头进行。若顶夸克存
在则在质子－反质子对撞时，有机会产生一对顶夸克及反顶夸克。顶
夸克有两种衰变模式，其一为衰变成一个底夸克，一个带电轻子及一
个微中子；另一则为衰变成一个底夸克，及另一对夸克。反顶夸克也
一样有上述两种衰变模式。由顶夸克衰变而来的带电轻子具有一些特
性；因此若我们能观测到具有这些特性之轻子就可推断顶夸克之存在
。若顶夸克及反顶夸克均衰变为带电轻子，微中子及底夸克，则实验
上应观测到一对带电轻子，及一对底夸克。用此方法去找顶夸克的小
组称为「双轻子搜寻」小组，由叶恭平博士带头。如果是只有顶夸克
或反顶夸克之一衰变为带电轻子、微中子及底夸克，另一则衰变为底
夸克及另一对夸克，则实验上应观测到一个带电轻子，一对底夸克及
另外两个夸克。用此方法去找顶夸克的小组称为「轻子－喷流搜寻」
小组，因为实验上观测到的夸克是许多密集粒子组成的喷流。这两种
搜寻法各有优缺点。实验上，我们很难确定观测到的喷流是由底夸克
或是由其它更轻的夸克所造成。因此要观测由顶夸克及反顶夸克衰变
而成之一对底夸克相当不容易。一个可靠的方法就是利用矽微条顶点
侦测器去观测底夸克衰变时之顶角；另一个方法是去观测底夸克衰变
时产生之轻子。两种方法效率都还不够高。对双轻子搜寻而言，观测
到底夸克并不是特别需要，但是对轻子－喷流搜寻，则至少需确定观
测到一底夸克。

CDF 实验共观测到12 个可能的顶夸克事件，其中有2个是双轻子
事件，10 个是轻子－喷流事件。我们并没办法完全确定这些事件真
是由顶夸克－反顶夸克之衰变而来，必须等待更多的实验数据以供更
进一步的研究。目前CDF 实验正在进行中，预计持续到明年夏天。
中研院高能组现在有8 个人在费米实验室工作。只要累积了足够多
的数据， CDF 有信心可确认顶夸克之存在。

由观测到之 12 个事件，CDF 推断顶夸克之质量为174GeV（约为
174倍质子之质量）。但是顶夸克果真如此重，按照目前物理学家的
了解， CDF 不太可能观测到这么多的顶夸克－反顶夸克事件。如果
CDF 对顶夸克－反顶夸克的产生之机率及顶夸克质量之推断是对的，
则很可能当前我们对基本粒子之了解尚有不足之处。因此更进一步之
探讨对理论及实验物理学家均极重要。

在费米实验室发布之新闻稿中，DO至目前为止并未观测到足够之
事件可推断顶夸克之存在。由于缺少追踪用之磁场及矽微条顶点侦测
器， CDF的搜寻方法，并不完全适用于DO。

4.高能物理组简介及参与CDF之概况

中研院物理所于三年多前，即由江纪成、邓炳坤及成大之学生陈
彦竹组成小的高能实验组，在国科会专案计画补助下，参与费米实验
室编号E789 之实验，探讨底夸克组成之粒子（B-粒子）的稀有衰变
模式；此实验是在强子（参与强作用之粒子）碰撞的环境下，探讨B-
粒子物理的一个先驱性尝试。目前实验已完成，正在持续分析数据中
；陈彦竹并已完成此实验之部份分析结果而获得博士学位。

两年前，在李政道院士之鼓励及院方之大力支持下，高能组开始
进行较长期之规划发展，一方面引进有丰富经验之俄国及斯拉夫克访
问学者撒马罗可夫及安徒斯，另一方面则积极吸收国外之年轻学者与
国内之研究生，准备参与美国之超导超能对撞机（SSC）计画。由于
SSC是下一代之对撞机，即便完成，亦在十年之后，因此高能组在长
期规划中，即指出必需积极参与目前进行中之强子对撞实验，以吸收
及培训人才。当前最重要的强子对撞实验是在美国之费米实验室进行
，包括CDF及D0 两个大的实验组，主要的目标在经由高能质子及反
质子的对撞，搜寻顶夸克或其它新的粒子，并深入探讨媒介弱作用之
规范粒子间的作用等上面提到的一些仍待了解的谜。

高能组目前包括两位研究人员（邓炳坤、王明哲），八位博士后
，两位访问学者，分别来自台大、清华、成大之四位学生及两位由国
科会计画下补助之研究助理。此外也获得物理所训练有素之多位技术
人员的支持。其中技士吴喜成曾于费米实验室工作六个月，协助一精
密顶点侦测器之组装，获得实验组极高之评价。

高能组于前年底向CDF 实验组提出加入之计画书，并于二月中获
准加入，成为CDF 实验组之一成员，中华民国也成为参与CDF 的五
个国家之一（其余为美、日、义、加拿大）。目前CDF实验组由约440
位研究人员组成，分属三十五个研究机构。

中研院高能组自加入 CDF 实验以来，参与人员无不积极投入，表
现优异。除了去夏协助矽微条顶点侦测器（SVX'）之组装，深受肯定
外，我们目前还负责下一代之顶点侦测器（SVXII）光学读出系统之
研发制作。郑茂桐博士为实验组指定之此计画之负责人。高能组正与
交通部电信研究所合作研发中，预计今年七月底将完成元型制作，明
年中可开始在电信所及中研院量产。若是成功，此将为在高能物理界
，第一个在台湾本土研发制作之高科技成品；也将创光学读出系统大
量应用在高能物理实验之先河；对台湾在高能物理之发展，意义甚为
深远，因此为高能组最优先投入的工作之一。此外我们在 CDF 实验
组中，还负责SVX'及SVXII之电脑模拟工作。此工作为了解这些顶点
侦测器之功能及进行数据分析所不可缺的一环，因此也是广受瞩目的
一个重要工作。在物理方面，高能组除积极参与经由「双轻子衰变」
模式搜寻顶夸克并探讨其性质之研究外，也已开始进行电弱作用规范
粒子间之作用的探讨，以及单一顶夸克之产生及衰变的研究等课题。
这些数据分析的研究，虽可在物理所内进行，但是经常至费米实验室
与其它研究人员比对及讨论结果，也是获得最后结论前必经的过程。

高能组除了参与CDF对撞实验外，还积极参与强作用研究、CP守
恒性探讨等费米实验室其它规模较小之实验；目前也在袁家骝院士之
建议下，规画与法国巴黎大学合作，进行尖端侦测器之研发工作。

国内外一般人的印象均以为高能物理研究需投入大笔之研究经费
。实际上，物理所高能组十多人虽在CDF实验组中负担不少重要任务
，本年度之经费不过约五十万美金（不包括博士后及访问学者薪支）
，其中一半多由国科会之专题计画补助，其余则由院方及物理所补助
。我们虽然希望获得更多的支持，但以目前之人力，每年所需经费也
不会超过台币两千余万，与其它领域之大型研究计画相比，并非特别
庞大。

在CDF 实验中，目前已有许多迹象显示顶夸克很可能即将被
找到。但是更重要的是，这些迹象，也透露出一些极不寻常的讯息，
显示物理学家目前的了解，可能有不小的缺陷。很显然我们需要更多
时间做更仔细的研究。中研院及台湾本土的许多研究人员，能有机会
参与此重要的国际合作计画，又正逢此极具关键之时刻，实在是很幸
运。高能组之同仁，唯有更努力的把握此机会，才不致辜负院方、所
方及国科会之支持。