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黑暗宇宙與上帝粒子－基礎物理的現況與未來
- 7. 1929年哈柏(Edwin Hubble)發現，離我們 越遠的星系，以越快的速度遠離我們 離地球的距離 （百萬光年） 30 60 速 度 （ 公 里 ／ 秒 ）
- 10. 2011年諾貝爾物理獎頒給發現宇宙加速 膨脹的三位天文學家 Saul Permutter Brian Schmidt Adam Riess
- 13. • 根據大爆炸宇宙學，現在的宇宙形塑於 大爆炸初期。 • 當時宇宙的溫度很高，所有的物質都是 處於基本粒子的狀態。 • 要了解現在的宇宙，我們必須瞭解基本 粒子在高溫下的行為。 研究高能基本粒子的行為，一般是透過高能粒子加速 器來進行。 現在世界上最大的加速器是LHC
- 14. 14 • 20世紀20年代後，我們發現原子並非最基本的粒子 • 現在的週期表有17個粒子 • 日常生活中所見的物質僅需要u,d,e,g,g 夸克 輕子 作用力介子及它們的反粒子 問題： • 為什麼有家族式的次序 （類似週期表，是否暗示了更深層的結構） • 為什麼是三個家族？（Rabi:“Who ordered them?”) • 質量的來源？ 基本粒子物理
- 15. 15 原子 原子核 質子 中子 夸克 膠子(g) 電子 電磁作用力 強作用力 粒子物理所理解的物質如下：
- 16. 16 基本粒子理論成功的描述了所有我們觀測得到的現象， 並有美妙的數學結構。 21世紀開始，這個理論所描述的基本粒子，只剩下希格 斯粒子(Higgs)未被發現，但是，沒有希格斯粒子，整個理 論就無法成立： • 我們認為所有基本粒子的質量都來自於它們與Higgs的 交互作用。 • 空間中充滿了Higgs場，基本粒子在空間中運動，與 higgs不斷作用，就有了質量。 • 為什麼我們看不到這個到處都存在的Higgs粒子？人在 空氣中，不知有空氣；待聞掌聲響，始知有介質。 • Higgs粒子是建造LHC的主要理由。
- 17. p p H 怎麼知道有空氣？ • 空氣阻力－物體沒有辦法走的很快 • 聽見聲音，就知道有空氣 怎麼知道有Higgs？ • 物體有質量－無法以光速運動 • 偵測Higgs粒子 空氣均勻的圍繞我們， 但我們看不見 Higgs均勻的充斥空間， 但我們看不見
- 18. 尋找Higgs是1980年代以後粒子物理實驗的主 要動力，研究方法是高能加速器 • 1980年代的LEP加速器對撞機 • 精密測量W和Z的特性 • 確認標準模型只有3個粒子家族 • 未發現Higgs粒子，Higgs粒子質量應大於 114GeV • 1990年代的Tevatron加速器對撞機 • 發現頂夸克 • 未發現Higgs，數度宣稱看到Higgs的跡象 • Higgs很難找!
- 19. God Damn Particle!The God Particle!
- 22. 粒子物理探測器 典型的粒子物理探測器： • 洋蔥式的多層探測器。多次測量粒子的動量、能量、電荷等。 • 不同粒子有不同的反應。 • 置於磁場中，以測量帶電粒子的動量。 • 盡量完整包圍碰撞點的四周。 22
- 23. 大強子對撞機(LHC)是世界上最大的加速器 • 位於瑞士和法國邊界，周長27公里。 • 置於地下50-100米深的隧道中。 • 兩個環狀束流管，讓質子束以反方向繞行，並在特定的 幾個碰撞點對撞。 • 所有的加速腔，轉彎磁鐵，聚焦磁鐵均由超導材料製造。 • 共1232個轉彎磁鐵 • 每個長15米。 • 線圈電流9000安培。 • 提供10特斯拉的磁場（20萬倍地磁）。 • 約6000個聚焦和校正用的磁鐵。 23
- 24. 24
- 25. 25
- 27. 27 MUON BARREL Drift Tube Chambers ( DT ) Resistive Plate Chambers ( RPC ) SUPERCONDUCTING COIL IRON YOKE Silicon Microstrips Si Pixels TRACKER ECAL Scintillating PbWO4 crystals HCAL Plastic scintillator/brass sandwich human Length: 21.6 m Diameter: 15 m Weight: ~12500 tons Magnetic Field: 4 Tesla Cathode Strip Chambers (CSC ) Resistive Plate Chambers (RPC MUON ENDCAPS 建造CMS
- 28. 28
- 30. CMS完成安裝 – 2008年9月3日 …………….. ……….. ……………. 30
- 34. 2013諾貝爾物理獎：Peter Higgs, Francois Englert
- 35. 發現了上帝粒子的意義： • 粒子物理的標準模型基本上被證實 • 所有日常生活中的現象，都可以被精確的解釋。 • 質量的來源有了很好的解釋 • 大爆炸10-10 秒後，可見宇宙的歷史，基本上都可以預測。 上帝粒子並沒有解決： • 什麼造成暗能量 • 什麼是暗物質 • 更早時期的宇宙，是如何演化的？ • 是否有比標準模型更基本的理論？（基本粒子的家族結構？）
- 36. 如何解決這些問題？ • 更大的加速器：例如 • 大陸在規劃中的CEPC：100公里周長 • 日本的ILC • CERN的FCC • 更強大的望遠鏡：例如 • DESI計畫：更精確的測量1千萬光年以內的星系 • TMT：30米大望遠鏡 • 地底的暗物質探測器: XENON, PANDA, DAMA… • 太空中的暗物質探測器：國際太空站上的AMS • 超大型的微中子探測器： • JUNO：江門地底中微子實驗室 這些都是超大型的儀器，經費動輒數億至數十億 美金，需要上千位科學家的團隊 國際合作是 不可或缺的因素
- 38. 謝謝聆聽
- 39. 丁肇中教授的科學金字塔
- 40. 問卷調查現在物理最重要的問題 C. Jarlskog@CERN (在LEP開始之際 ~ 1990) 問題： “假如你能問一個物理問題並獲得解答，你會問 什麼？” 回答: • 130 理論物理學家 • 70 實驗物理學家 • 37 學生 • > 70% 回答: 找出質量的秘密。
- 43. Muon chambers ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS Superconducting toroidal coil Hadron Calorimeter EM Calorimeter Central Tracker 43 軌跡偵測器 電磁量能器 強子量能器 緲子偵測器 超導線圈（產生磁場）
- 45. Get into the Seminar Hall (July 4) Waited overnight… Prof. Higgs walk in…