【成功專欄】物理系楊毅教授：成功大學長期耕耘高能核物理獲得重要成果 重現宇宙初期極端環境 驗證夸克解禁錮現象
文、圖／楊毅
自從 2012 年在歐洲粒子物理中心發現了俗稱「上帝粒子」的希格斯玻色子（Higgs Boson）之後，大多數的人都認為高能物理已經完成了最後一片拼圖，再也沒有什麼值得期待的了。但世界上還是有許多的物理學家致力於研究奇妙的次原子世界，希望可以更了解構成我們世界的基本粒子以及交互作用力，而國立成功大學也不例外！自 2014 年起由物理系楊毅教授帶領高能核物理實驗室團隊參與位在美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory， BNL） 的 STAR 實驗[註1]，在國科會與成功大學的大力支持下，成大團隊在重味夸克的研究以及探測器的升級計畫中扮演了關鍵的角色。
在由量子色動力學所描述的核物理世界中，夸克與膠子沒有辦法自由的存在，他們一定會被「強作用力」束縛成特定的粒子，而這種現象稱之為「色禁錮」（color confinement）。但是在極高溫與高能量密度下，夸克跟膠子會處於短暫的自由狀態並形成一種新的物質態，我們稱之為「夸克-膠子電漿態」（Quark-Gluon Plasma, QGP），這種現象我們稱之為「解禁錮」（deconfinement），但這種極端環境只有在宇宙初期以及高能重離子對撞下才會發生，因此為了研究這個特殊的現象與更了解核作用力，物理學家投入了大量的心血在重離子物理中，希望可以藉由對撞高能量的重離子來重建出宇宙初期的環境。 STAR 實驗就是世界上最重要的重離子物理實驗之一。
成大高能核物理實驗室主要參與了 STAR 實驗中緲子探測器（Muon Telescope Detector, MTD）的研究工作，不但在2016年舉辦研討會邀請了世界各地（包括美國、中國、荷蘭等）的專家一起到成大來討論 MTD 相關的物理（如圖一），並且在 2019 年與 STAR 團隊共同發表了兩篇研究 J/psi 粒子[註2]的重要文章，一篇是研究 J/psi 粒子在質子對撞下的生成機制[1]，另一篇為研究 J/psi 粒子在金離子對撞下生成抑制狀況[2]，這兩個研究對於了解量子色動力學有重要的貢獻。而於 2020 年，成大團隊也完成了 STAR 升級計畫中矽微條探測器的主要任務，並且順利安裝到 STAR 實驗中進行取數，預計運行至 2025 年，同時也參與了驗證愛因斯坦最出名的質能互換公式的研究[3]。
圖一：2016 年於成大物理系所舉辦的 MTD 研討會，邀請了世界各地參與 STAR 實驗的專家到成大討論與 MTD 相關的物理
圖二：成大高能核物理實驗室楊毅教授在 STAR 探測器前與 MTD 探測器
今年（2023年）3 月，成大與 STAR 實驗組共同在美國物理評論快報（Physical Review Letters）上發表了最新研究成果[4]，主要在研究 Upsilon 粒子（由兩個底夸克所組成的粒子）在金離子對撞下的分解狀況，這也是第一次在布魯克海文國家實驗室的相對論性重離子對撞機（Relativistic Heavy-Ion Collider, RHIC）中觀察到底夸克的分解，也讓我們更了解夸克在極端環境下是如何與「夸克-膠子電漿態」進行反應而進一步分解。然而，為什麼研究 J/psi 粒子不夠，還需要繼續研究 Upsilon 粒子呢？主要是因為底夸克的質量比魅夸克要重很多，因此在「夸克-膠子電漿態」中就很難產生出自由的底夸克，也就是說從 Upsilon 粒子中被分解出來的底夸克很難在「夸克-膠子電漿態」再重組成新的 Upsilon 粒子（相反的，在研究中顯示 J/psi 粒子的重組機率是不可忽略的）。另外一個主要的原因是 Upsilon 粒子總共有 3 個量子態，分別研究這 3 個量子態的分解狀況，更可以讓我們知道夸克與夸克間的波函數大小與被分解狀況的關係。圖三為 Upsilon 粒子在金離子對撞下分解的關係，這個結果由成功大學、美國布魯課海文國家實驗室、中國科技大學等單位一起研究完成（布魯克海文國家實驗室的新聞），成大物理系碩士生張哲嘉同學（現為神準科技工程師，圖四）在物理系楊毅教授的指導下，在此研究中扮演了關鍵角色，包括了在緲子的鑑別（Upsilon 粒子需要從兩個緲子重建出來）、分辨 3 個 Upsilon 量子態以及最終的物理結果。楊毅教授表示：「這個分析非常的不容易進行，主要是背景非常的大，因此要有非常好的方法將緲子從大量雜訊中選出來，並且重建出 Upsilon 粒子再進行研究。未來成大會繼續在這個方面努力，例如研究 J/psi 粒子生成與噴流的關係等，這些研究都可以幫助我們將量子色動力學的拼圖一片片的拼起來。」，另外，楊毅也表示：「能夠跟國際最頂尖的團隊一起合作並能夠有重要的貢獻，是讓我們持續成長的最好方式，非常感謝國科會與成功大學這麼多年來的支持。」
圖三：Upsilon 粒子在不同對撞條件下分解程度的大小，顯示了在兩個不同的量子態（1S與2S）下有不同的分解程度。
圖四：成大碩士生張哲嘉同學在美國布魯克海文國家實驗室中報告他的研究成果
註1：STAR 實驗是一個大型的國際合作實驗由 13 個國家、63 個研究單位以及超過 600 位科學家與工程師所共同參與，成大物理系高能核物理實驗室負責人楊毅教授從 2014 年加入成大後便帶領團隊參與此重要國際合作計畫，並且也是台灣唯一參加的團隊。
註2：J/psi是由兩個「魅夸克」（charm quark）所組成的次原子粒子，也是丁肇中院士於 1974 年所第一次在布魯克海文國家實驗室發現並為此獲得 1976 年諾貝爾物理獎。
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更新日期:
2023-03-14