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東海大學應用物理學系-最新消息-一般-[校慶系列之四] 傑出系友 彭仁傑博士研究成就介紹

[校慶系列之四] 傑出系友 彭仁傑博士研究成就介紹

  • 單位 : 物理系
  • 分類 : 一般
  • 點閱 : 258
  • 日期 : 2020-11-02
前文 :
彭仁傑教授是東海物理第12屆系友,現任教於美國伊利諾大學香檳分校。彭學長甫榮獲 2020 東海傑出校友,我們引以為榮,也曾在本網頁登出祝賀的消息(https://ithu.tw/785)。彭學長獲獎原因是他在高能與核子物理領域卓越的學術成就與貢獻。高能與核子物理也許會給人深奧艱深的印象,探討物質的組成與交互作用,乃至宇宙之起源,是研究物質世界根本問題之一的重要領域。為讓網友對彭學長的工作有更多的認識,因此特別商請本系詹傳宗老師捉刀撰寫此篇文章。也希望藉由此文,讓各位網友有機會對這領域一窺其奧妙。

--------------------------------------正文----------------------------------------------------

        彭仁傑教授主要的研究領域為高能粒子/核子物理實驗。這個領域的重要目標之一是要探究物質的基本組成及其交互作用。近年來有一些諾貝爾獎的得獎項目,例如: 發現Higgs粒子(2013)和偵測微中子振盪(2015)都是在完備所謂粒子物理標準模型(standard model)架構之下所孕育的工作。一般而言,我們目前所認定的基本粒子可以分為兩類(圖一): 包括夸克(quark)和輕子之類的費米子(自旋為1/2),以及負責傳遞交互作用之類的玻色子(自旋為1 或0)。
目前已知有六種不同的夸克(up, down, charm, strange, top, bottom) ,而輕子則有電子、微中子以及它們的孿生成員) 。所有已知費米子依其量子屬性又可歸類為三個世代(generation)。負責傳遞四種交互作用的玻色子則有:光子(photon,電磁作用)、W, Z中間玻色子(弱交互作用) 、膠子(gluon,強交互作用) 以及希格斯粒子(弱交互作用與基本粒子質量)。而我們所熟知的原子核組成粒子:質子與中子(最輕的強子, hadron, 參與強交互作用的粒子,如圖二),是由夸克與膠子所組成的複合粒子(composite particle)。 彭教授所參與的高能實驗之一是要透過高能加速器中進行大量的粒子碰撞過程來定量分析這些強子的內在結構。在某種意義而言,其實和拉賽福透過散射實驗瞭解原子結構的物理動機是完全一致的
 

       事實上,為了要探究強子的結構,理論學家花費了很大的力氣才發展出今日所謂的量子色動力學(quantum chromodynamics)。而在這個理論被確立之前,大名鼎鼎的費曼為了解釋當時在Standford大學進行的粒子碰撞實驗(Deep Inelastic Scatterings)中觀察現象(Nobel Prize 1990)所提出的部份子模型(parton model),正是我們目前用來描述質子與中子如何由夸克、反夸克和膠子組成的基本架構。雖然夸克這個由葛爾曼所提出的觀念在對稱性(粒子譜)上提供我們了解強子結構的起始基礎,但是目前由量子場論來探究強子的組成,特別是質量,動量及自旋等特徵,是以所謂的分佈函數(distribution function)來描述。例如一個對於質子內在結構的定量分析,必須包括上夸克(up)、下夸克(down)、反上夸克(anti-up)、反下夸克 (anti-down)以及膠子所佔的百分比,而不再只是像葛爾曼一開始所想像,質子是由兩個up夸克和一個down夸克所組成。研究質子中反up夸克和反down夸克(這些反粒子統稱為海夸克, sea quark)的部分子分佈函數(parton distribution function),是檢證量子色動力學作為標準模型中強作用理論的重要實驗。彭教授及其團隊在美國的費米實驗室透過強子與反強子對撞過程(Drell-Yan process)中高能雙緲子(di-muon)的量測(圖三) 給出了最早的海夸克分佈函數精確結果,相關的論文獲得了超過1200次的引用紀錄。

 

        歷史上,海森堡基於原子核內核力與電荷無關以及質子、中子質量近似相等的特徵,提出了同位旋(isospin)這個概念。隨著夸克模型(八正道eight-fold way, 圖二)的提出,同位旋對稱已被擴展成粒子物理中味對稱(flavor symmetry)的概念。這個對稱性的大意是說,除卻電荷和質量的差異,各種不同夸克(u,d,c,s,t,b 一共六種)和膠子的強作用原則上是一致的。但是標準模型裡除了強作用,也另需考量電磁作用和弱作用,乃至質量差異。因此在探究強子內在組成的研究中,除了確認強子內部海夸克存在的定量證據之外,更進一步,由於上(up)夸克和下(down)夸克的質量與電荷差異,我們也有理由相信中子(neutron)和質子(proton)的部分子/海夸克分佈函數不是由簡單的u-d置換(回憶夸克模型對質子(uud)與中子(udd)的描述)即可得出。比較不同強子之部份子分佈函數與量子色動力學中味對稱被破壞的程度有密切的關係。

        彭教授的另一個研究重點是大亞灣微中子實驗計畫,他是計畫創始人之一,這個研究團隊的工作和1980,2008的標準模型CP (C-charge conjugation電荷共軛: 描述微觀世界中粒子和反粒子互換的對稱性,P-parity宇稱: 描述微觀物理定律在空間指向反轉的不變性)破壞及2015年的微中子振盪諾貝爾得獎工作有關。我們在量子物理學到一個重要的觀念是:給定物理系統的能量特徵態,其隨時間演化係由與能量特徵值有關的相因子決定。任意的物理態演化則由組成此物理態的特徵態各自演化所產生的干涉樣態決定。一個最常被探討的例子 如雙狹縫實驗。由於粒子交互作用的關係,一個處於隔絕狀態的自由粒子和有交互作用情況的物理態,一般而言並不相同。所以一旦製備了自由粒子的初態,由於交互作用的影響,在隨時間演化的過程中很自然地會成為不同角色的疊加態。這是在基本粒子世界中我們所謂的粒子混合(particle mixing)現象。

       在標準模型的理論中,夸克混合現象由著名的CKM矩陣(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix, 圖五) 描述。它不但提供了粒子混合的資訊,更為精妙的是在有三代夸克的前提下,我們可以透過這個矩陣中的相角(complex phase)提供最簡易的CP 破壞機制,由此或可探究宇宙中物質與反物質的不對稱緣由。目前透過高能實驗對於K介子及B介子混合現象的量測都提供了我們對於基本對稱CP破缺的重要證據。在標準模型的架構裡,輕子(除卻沒有參與強作用的特徵之外) 和夸克像是兩個彼此對應的陣營,從理論的角度看來 似乎也應有混合的可能(圖六)。然而目前我們對於輕子家族的微中子質量起源及其相應的粒子混合物理機制還有待釐清,這也正是世界少數幾個專注於微中子測量的大型實驗團隊迫切想要了解的謎團。大亞灣的實驗結果,正是提出了第一和第三代微中子混合角的確切量測。因為這個重要成就,彭教授所參與的團隊以及其他四個微中子實驗群組共同獲頒2016 Breakthrough in Fundamental Physics獎。