2017年7月27日

李世昌院士:如果AMS偵側到碳的反物質,意味宇宙有反物質組成的反星球。

作者/林宮玄,任職於中研院物理所,兼任本刊副總編輯。陳其暐,嘗試在混亂的時代當一名稱職的觀察者,關注新媒體的同時,仍然熱愛雜誌與紙本。


(陳其暐攝影)


1952年出生的李世昌博士,任職於中央研究院物理研究所,是國內著名粒子物理學家,2010年獲中研院院士頭銜。《科學月刊》2017年7月號刊載諾貝爾獎得主丁肇中專訪,關於丁院士所主持的跨國計劃──阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer, AMS)之太空計劃,我們透過與臺灣子計劃負責人李世昌院士的訪問,讓讀者進一步了解其科學上的重要性與臺灣團隊的貢獻。



《科學月刊》(以下簡稱科):關於AMS計畫,因為在丁肇中院士專訪中時間緊湊,希望藉這個機會跟你討論多一點關於這個計劃。就我所知,AMS計畫主要的目的是找反物質跟暗物質。可以用很淺顯的方式來解釋什麼是反物質嗎?

李世昌(以下簡稱李):我們現在認為所有的物質都是從能量凝聚出來,但是能量凝聚成物質的時候,不會只凝聚成物質,一定也有一樣多的反物質,這兩個合在一起還要再變回能量。譬如有電子就一定有反電子,因為本來能量沒有什麼電荷的概念,一出現「荷」,譬如電荷,有負的就要有正的。我們現在的觀念裡,如果物質凝聚後有「荷」,不管是電磁作用的荷、弱作用的荷,或是強作用的荷,那一定要有另外一個東西與它的荷相反,因為能量本來是沒有荷的。簡單來說,反物質的荷跟物質是相反的。

科:那暗物質指的是幾乎沒有辦法跟任何東西作用的物質嗎?

李:不是。從我們在天文的觀測裡時,我們看到星系,星系旁邊的恆星繞著星系轉的速度,照道理比較遠的恆星,因為受到引力較小,速度應該不一樣,應該越遠跑得越慢。但是觀測發現較遠的恆星速度並沒有變慢,表示可能存在有質量的東西沒看到,這只是很多證據中的一個。另一個證據是,利用光經過星系或星系群,估計它的能量與偏轉,結果發現光受到重力的偏轉量比看到的質量還多。所以有很多的證據顯示,看到的質量太少,應該還有暗的物質,這個都是從重力作用來的。那些看不到的物質是有重力作用的,但是它們本身是沒有電磁或其他的作用,所以不容易偵測到。宇宙裡面有一些物質,它是跟我們現在知道的一般物質一樣有重力的作用,但是可能沒有我們知道的電磁作用、弱作用或強作用。

目前沒有直接能夠觀測到暗物質的方式,但有間接觀測的方式。從宇宙跟天體的觀察,沒看到的質量如果是新的、穩定的基本粒子,那就是有新的東西,所以有很多的方式去觀察。譬如AMS為什麼看暗物質?因為這個新的基本粒子雖然不跟一般的物質反應,但是它可能是自己的反粒子,沒有我們知道的荷如果是自己的反物質,就可以湮滅變成一般的物質,當然湮滅變成一般的物質就要有反物質。因為物質跟反物質要一起產生,所以就應該看到比較多的正電子(positron)或比較多的反質子,而AMS就用這個方法來蒐集資料。在宇宙中的正電子或者是反質子,是從物質、質子跟其他的質子或原子核碰撞產生。如果你知道宇宙中有多少質子、有多少原子核,應該產生多少反質子、反電子,這個有理論可以算。如果暗物質也會湮滅掉,就會產生比你預測更多的反質子或反電子,這是一個間接的信號,不是直接的信號。

我們在加速器也可以產生暗物質,但是暗物質經過偵測器偵測不出來,因為偵測器只能偵測有荷的東西。那我們該怎麼量測呢?譬如質子跟質子對撞,動量是變成零,所以在垂直面的總動量應該是零,水平面不一定是零。我讓兩個東西對撞,如果兩個動量都一樣,當然對撞以後,垂直方向也是零,所有的動量都是零。但是我們知道質子不是最基本的粒子,質子對撞是裡面的夸克在撞,但你並不知道兩個撞的夸克動量,只知道在垂直面是沒有動量的。如果觀測撞出來的粒子,在垂直面的動量加起來應該是零,即動量守恆。如果不是零,就是有一個東西跑掉沒有被觀測到,因此可用這個方法偵測微中子或是暗物質。如果用電子跟電子,或是電子跟反電子對撞,因為是基本粒子,所有的動量都要守恆,不只是垂直面,連水平方向也要守恆。

科:所以你認為最近發現的重力波技術,有可能去偵測暗物質嗎?

李:都有可能。所以這是為什麼看到重力波以後,有很多人要去做這個新的重力波偵測器,這是一個新領域。一定有很多物理學家已經想過,怎麼樣用重力波去看暗能量或是暗物質,所以會往這個方向發展。

科:請您解釋什麼是暗能量?

李:很多人認為暗物質跟暗能量是20世紀末兩大謎題。就好像19世紀末,我們有黑體輻射的謎題。我們認為宇宙是大爆炸以後開始膨脹,但是大爆炸是能量變成質量,質量之間就有重力,互相會吸引。一般的想法認為,雖然大爆炸以後一直膨脹,但是因為物質互相吸引,這個膨脹的速度應該要減慢。不過,實際去量發現,50億年前的宇宙,膨脹速度是增加的。如果是等速度膨脹就是哈柏常數,而現在的理論認為哈柏常數不是常數,宇宙膨脹越來越快,也就是有一些正的能量,但是它的壓力是負的。會膨脹就是因為壓力是負的,這個叫暗能量。也就是說它把宇宙拉開了,不是減速。愛因斯坦曾說能量跟質量一樣,可以互換。只要有能量就是相吸,都是引力,沒有斥力。但是要有這個負壓力,就是斥力,是比較奇怪的能量。其實愛因斯坦很早就提到宇宙常數(cosmological constant),即是正的能量、負的壓力。後來愛因斯坦發現如果有宇宙常數,宇宙就會膨脹,但他認為宇宙是靜止的,因此他說宇宙常數是錯的。後來哈柏發現宇宙在膨脹,所以愛因斯坦的東西又可以是對的。當然沒有宇宙常數也可以膨脹,如果初始條件是膨脹,它也就會膨脹,只是沒有宇宙常數的話,膨脹會越來越慢;如果有很小又是正的宇宙常數,宇宙就會膨脹的越快。所以暗能量的宇宙常數不為零,即為一種可能。目前的觀測看起來,宇宙常數值很小且是正的。

科:關於AMS計劃,其實電子的反物質「正電子」已經在地球上的儀器發現。這不是代表反物質早已經發現了嗎?為何AMS計劃目的之一是尋找反物質?

李:目前在地球上已看到正電子跟反質子,丁肇中先生在1964年的實驗中有看到反氘。另外,反氦也產生出來了。我們的重離子的加速器會產生反氦,反氦3跟反氦4都會產生。AMS計劃想找反氦或是反碳,要解釋為什麼我們現在看到的宇宙沒有反物質。我剛才講如果宇宙大爆炸開始是能量,然後凝聚成物質,那有正物質就應該有反物質,有質子也會有反質子。但是我們現在看到的銀河系或附近的星系,幾乎都是物質組成的,反物質很少,都是由後來碰撞產生的。大爆炸以後產生的反物質跑到哪裡去?為什麼宇宙只會看到物質,沒有反物質?現在大家接受的理論認為,在基本粒子的階段,因為演化不對稱,物質變得比較多,反物質變比較少,然後反物質與物質湮滅以後,就只剩物質。但是現在這個理論的問題是不對稱性太小。湮滅的東西會變成類似光能量,並以光的形式存在。如果不對稱性很大,那湮滅掉以後的這個物質就多了,光子就少了;如果是不對稱性很小,湮滅以後物質很少,但是光子很多。所以觀察現在宇宙物質跟光子的比例,就可以知道對稱性的大小。但我們現在觀測到的物質與光子比例,與這個理論的不對稱性的大小不符合。所以現在有兩個方向,一個就是AMS的任務,尋找到底有沒有反質子。但是碰撞也可以產生反質子,因此很難釐清是否為大爆炸後留下來的反質子。從碰撞要產生反氦是很困難的,要產生兩個反質子跟兩個反中子,還要碰到然後束縛在一起組成原子核,這個機會就小很多。反碳一般認為碰撞更不容易產生,我們認為碳的產生都是在恆星裡面核融合產生,要有反星球才會產生反碳,要有反質子去核融合變成反氦,反氦再核融合變成反碳。反質子是可以由碰撞產生的,所以為什麼我們想看的是反氦。如果看到反氦就很震撼,看到反碳就更震撼。如果看到反碳,那最可能就是有反星球產生的,但如果看到反氦就不一定是來自反星球,有可能是早期宇宙留下來的,這表示早期宇宙一定有反中子跟反質子,它們會再結合成反氦,而不是在形成反質子以前,在反夸克的狀態就已經消滅掉而剩下物質,也就是說現今宇宙演化的想法會不一樣。目前知道反氦由質子或宇宙射線經過碰撞產生的機會很小,如果觀察到很多反氦,就表示反氦是早期宇宙來的,或是在反星球裡面產生的。根據現今的理論,早期宇宙只能造氦,比氦重的就非常非常少,大概到反氦就差不多。所以如果看到反碳,最可能的解釋是有反星球。所以光看到反氦,那我們不知道是反星球還是早期宇宙留下來的,都有可能。

科:丁院士說過,宇宙射線提供一個最佳粒子研究的環境。什麼是宇宙射線?

李:簡單來說,AMS 就是在偵測宇宙射線裡有沒有反物質。為什麼要去太空裡面看?我們大氣有幾百公里,但是裡面30公里是比較厚的,相當於10公尺的水。反物質經過大氣後通常會湮滅掉,變成其他的東西。到太空的話,就可以直接觀察宇宙射線裡的反物質。在20世紀初實驗,就已利用氣球在高空中,量到高能量的粒子,是從宇宙來的。現在知道這些粒子絕大部份就是質子、各種的原子核。所以現在有一個問題:為什麼會有這麼高的能量?是誰加速的它的?質子當然不稀奇。宇宙大爆炸產生以後,本來就有很多質子,因為質子不會衰變。我們認為這些質子會因為重力而變成恆星。重力又可引發進一步的核融合,變成各種其他的原子核,一直到鐵。為什麼只到鐵?因為鐵再加一個質子,能量是變高不是變低,因此會分裂,所以質子數最多只到鐵為止。那比鐵質量數更高的元素是怎麼出來?現在的理論認為恆星會死掉,超新星爆炸那一瞬間就可以融合,產生更多更重的原子核。所以,目前所知道的原子核都是在這個重力作用下,由質子經過各種核反應產生出來的。現在的理論認為,恆星要死的時候,超新星爆炸會加速粒子,所以宇宙中有很多高能量的粒子。這是現在的理論,真實是不是這樣沒有人知道。是什麼機制可以把粒子加速到這麼高?目前無解。但很多跡象顯示,超新星加速是宇宙射線加速的其中一種機制。

科:AMS是16個國家合作的大計畫,各國大概扮演什麼角色?臺灣團隊主要負責什麼?

李:比較複雜的粒子儀器都是有好幾種偵測器組成,不是單一個偵測器。雖然MIT(美國麻省理工學院)有也有參加做某些子偵測器,臺灣跟MIT主要做電子系統。這個電子系統相當於AMS的腦袋,要把數據讀出來做數據的處理,所有這些電子系統是MIT跟臺灣設計,全部在中山科學院製造。子偵測器主要都是在歐洲各個國家做的,譬如說silicon tracker,即軌跡追蹤器,可以量粒子軌跡,是PIN的結構。因為有P型矽半導體,N型矽半導體,中間是 I 絕緣,加反向偏壓就可以變成偵測器做軌跡的追蹤。而當有磁鐵跟軌跡追蹤器合在一起,就知道是帶正電還帶負電,所以磁鐵是很重要。然後磁鐵的旁邊有anti-coincidence counter(反符合計數器),實驗希望量的粒子都是由上到下,如果觀測到從旁邊經過磁鐵進到偵測器的粒子,就不是我們要的訊號,所以我們需要有anti-coincidence counter。還要有時間飛行器(Time-of-Flight)來排除由下而上不是我們要的訊號。然後我們有transition radiation detector(穿越輻射偵測器)可分辨能量相同而質量不同的高能量粒子。譬如電子跟質子動量一樣時,電子就會跑得像光速一樣,比質子快很多。我們可以用穿越輻射偵測器來量能量與質量的比,因此可分辨粒子。我們還有Ring imaging Cherenkov(RICH)計數器,也是量速度的。粒子經過輻射物質,速度可以大於光速的。如果輻射物質折射率是n,真空中光速是c,粒子在輻射物質裡速度就可以比光在該物質裡的速度c/n還快。這時粒子可以在一定角度放出震波,也就是契忍可夫(Cherenkov)輻射光波,量這個震波的角度就可得知粒子速度,量Cherenkov光波的強度就可得知粒子的荷,所以它叫「RICH計數器」。我們還有電磁量能器(Electromagnetic CALorimeter, ECAL),量電子跟光子的能量。......【更多內容請閱讀科學月刊第572期】

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