成功大學(xué)長(zhǎng)期耕耘高能核物理獲得重要成果： 重現(xiàn)宇宙初期極端環(huán)境
2016年於成大物理系所舉辦的MTD研討會(huì)，邀請(qǐng)了世界各地參與STAR實(shí)驗(yàn)的專家到成大討論與MTD。照：成功大學(xué)提供
自從2012年在歐洲粒子物理中心發(fā)現(xiàn)了俗稱「上帝粒子」的希格斯玻色子（Higgs Boson）之後，大多數(shù)的人都認(rèn)為高能物理已經(jīng)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(xué)家致力於研究奇妙的次原子世界，希望可以更了解構(gòu)成我們世界的基本粒子以及交互作用力，國(guó)立成功大學(xué)也不例外！自2014 年起由物理系楊毅教授帶領(lǐng)高能核物理實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)參與位在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory， BNL） 的STAR實(shí)驗(yàn)[註1]，在國(guó)科會(huì)與成功大學(xué)的大力支持下，成大團(tuán)隊(duì)在重味夸克的研究以及探測(cè)器的升級(jí)計(jì)畫中扮演了關(guān)鍵的角色。
在由量子色動(dòng)力學(xué)所描述的核物理世界中，夸克與膠子無(wú)法自由的存在，他們一定會(huì)被「強(qiáng)作用力」束縛成特定的粒子，而這種現(xiàn)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(huì)處?kù)抖虝旱淖杂蔂顟B(tài)並形成一種新的物質(zhì)態(tài)，我們稱之為「夸克-膠子電漿態(tài)」（Quark-Gluon Plasma, QGP），這種現(xiàn)象我們稱之為「解禁錮」（deconfinement），但這種極端環(huán)境只有在宇宙初期以及高能重離子對(duì)撞下才會(huì)發(fā)生，因此為了研究這個(gè)特殊的現(xiàn)象與更了解核作用力，物理學(xué)家投入了大量的心血在重離子物理中，希望可以藉由對(duì)撞高能量的重離子來(lái)重建出宇宙初期的環(huán)境。STAR實(shí)驗(yàn)就是世界上最重要的重離子物理實(shí)驗(yàn)之一。
成大碩士生張哲嘉同學(xué)在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中報(bào)告他的研究成果。照：成功大學(xué)提供
成大高能核物理實(shí)驗(yàn)室主要參與了STAR實(shí)驗(yàn)中緲子探測(cè)器（Muon Telescope Detector, MTD）的研究工作，不但在2016年舉辦研討會(huì)邀請(qǐng)了世界各地（包括美國(guó)、中國(guó)、荷蘭等）的專家一起到成大來(lái)討論MTD相關(guān)的物理，並且在2019年與STAR團(tuán)隊(duì)共同發(fā)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(zhì)子對(duì)撞下的生成機(jī)制[1]，另一篇為研究J/psi粒子在金離子對(duì)撞下生成抑制狀況[2]，這兩個(gè)研究對(duì)於了解量子色動(dòng)力學(xué)有重要的貢獻(xiàn)。而於2020年，成大團(tuán)隊(duì)也完成了STAR升級(jí)計(jì)畫中矽微條探測(cè)器的主要任務(wù)，並且順利安裝到STAR實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行取數(shù)，預(yù)計(jì)運(yùn)行至2025年，同時(shí)也參與了驗(yàn)證愛因斯坦最出名的質(zhì)能互換公式的研究[3]。
今年（2023年）3月，成大與STAR實(shí)驗(yàn)組共同在美國(guó)物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）上發(fā)表了最新研究成果[4]，主要在研究Upsilon粒子（由兩個(gè)底夸克所組成的粒子）在金離子對(duì)撞下的分解狀況，這也是第一次在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論性重離子對(duì)撞機(jī)（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(huán)境下是如何與「夸克-膠子電漿態(tài)」進(jìn)行反應(yīng)而進(jìn)一步分解。然而，為什麼研究J/psi粒子不夠，還需要繼續(xù)研究Upsilon粒子呢？主要是因?yàn)榈卓淇说馁|(zhì)量比魅夸克要重很多，因此在「夸克-膠子電漿態(tài)」中就很難產(chǎn)生出自由的底夸克，也就是說(shuō)從Upsilon粒子中被分解出來(lái)的底夸克很難在「夸克-膠子電漿態(tài)」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(jī)率是不可忽略的）。另外一個(gè)主要的原因是Upsilon粒子總共有3個(gè)量子態(tài)，分別研究這3個(gè)量子態(tài)的分解狀況，更可以讓我們知道夸克與夸克間的波函數(shù)大小與被分解狀況的關(guān)係。Upsilon粒子在金離子對(duì)撞下分解的關(guān)係，這個(gè)結(jié)果由成功大學(xué)、美國(guó)布魯課海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科技大學(xué)等單位一起研究完成，成大物理系碩士生張哲嘉同學(xué)（現(xiàn)為神準(zhǔn)科技工程師）在物理系楊毅教授的指導(dǎo)下，在此研究中扮演了關(guān)鍵角色，包括了在緲子的鑑別（Upsilon粒子需要從兩個(gè)緲子重建出來(lái)）、分辨3個(gè)Upsilon量子態(tài)以及最終的物理結(jié)果。楊毅教授表示：「這個(gè)分析非常的不容易進(jìn)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(lái)，並且重建出Upsilon粒子再進(jìn)行研究。未來(lái)成大會(huì)繼續(xù)在這個(gè)方面努力，例如研究J/psi粒子生成與噴流的關(guān)係等，這些研究都可以幫助我們將量子色動(dòng)力學(xué)的拼圖一片片的拼起來(lái)。」，另外，楊毅也表示：「能夠跟國(guó)際最頂尖的團(tuán)隊(duì)一起合作並能夠有重要的貢獻(xiàn)，是讓我們持續(xù)成長(zhǎng)的最好方式，非常感謝國(guó)科會(huì)與成功大學(xué)這麼多年來(lái)的支持。」
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