臺大物理CMS團隊參與歐洲共同高能實驗室CERN 搜尋標準模型希格斯玻色子 向下紮根開花結果

拔尖重點計畫 提升我國研究水準耗資百億美金的大強子對撞機LHC的核心任務搜尋希格斯玻色子是全球科學界的共同理想。而希格斯玻色子質量未知、衰變道眾多，投入分析的有數百人之衆，高手如雲。在2011年暑期，最重要的衰變道乃是兩顆W或Z玻色子，臺大團隊並沒有深入參與。但自一年多前開始，臺大就規劃了一個小型團隊，並與中大團隊共同合作，投入希格斯玻色子衰變到雙光子的搜尋。今年12月13日，大強子對撞機ATLAS及CMS兩個實驗公佈了重大進展，將希格斯玻色子從127 GeV以上直到600 GeV的廣大質量範圍中排除了（ATLAS實驗的排除範圍較小），但不能排除120到127 GeV之間的可能（參CMS實驗之公開文件本文），原因就是在124 GeV（CMS）到126 GeV（ATLAS）附近存在著雙光子及源自ZZ雙玻色子的四輕子事件，略為超出了預期。相較於暑期的上一回合結果，雙光子事件已躍升主場。

臺大高能組投入雙光子衰變道是有原因的。在2000年代，臺大與中大合組團隊，參與了所謂的CMS前置簇射器的建造（圖一），中大負責約1/3的矽感應器的生産，而臺大負責全部504片的讀出系統母板建造。前置簇射器的目的就是針對輕到只有120 GeV上下的希格斯玻色子的偵測，協助濾掉pi0介子對光子所構成的背景。參與CMS前置簇射器的，除了臺灣及歐洲共同高能實驗室CERN的人員外，還有希臘、印度與俄國，但物理相關人員，則主要為臺灣及CERN。除了前述矽感應器與系統母板外，臺大還負責低壓能源系統、資料擷取系統等，而中大則還負責控制系統及數據品質監控。2009年初將前置簇射器組裝完成並與CMS系統整合，由臺大呂榮祥助理研究員及中大郭家銘助理教授共同領導的臺灣團隊貢獻卓著。果不期然，2009年底進行LHC對撞, CMS第一次成功的測量到LHC的束濺事件（beam splash），便是由前置簇射器率先看到的。

2010年3月LHC以7 TeV對撞後，經過暑期國際大會的初步檢驗，運轉出奇的好，使得加速器人員對2011年運轉的亮度預期相當樂觀（雖然公開的談論仍審慎）。當時希格斯物理分析召集人開始大力招兵買馬。臺大的反應是立即將博士生張育偉轉投入希格斯玻色子雙光子分析，配合呂榮祥、並與中大人員共同合作。臺大團隊決定更審慎面對在前置簇射器的責任，俾能確實發揮其設計功能。臺大原已投入博士生四位派駐CERN，在呂榮祥監督之下，各以所謂「50%服務」時間的要求，負責前置簇射器運行的各戰鬥位置。

除了張育偉外，還有曾衍銘、雷永吉及高凱逸，這些博士生肩負了除了數據品質監控外的大部份責任。為了進一部支援雙光子分析，除了更加緊這個小團隊的運行外，臺大又在2011年增聘的三位新博士後中，篩選一位參予過前置簇射器建造的希臘籍博士後投入支援，並請有經驗的王名儒教授協助整體監督。

雖然在暑假之前，希格斯玻色子衰變的雙光子還不是主角，但先期作業、特別是「卡位」，必得進行。在這樣的大題目，卡位當然是不容易的。

臺大與中大合組的分析團隊，以對前置簇射器測量的掌握為後盾，再結合法國Saclay等單位人員，進一步與「大組」競合，如麻省理工、加大聖地牙哥（此兩校掌握希格斯物理分析各一位召集人）、羅馬（掌握電磁量能器的光子能量校準）及英國的帝國學院（掌握分析子群召集人）等佔據較有利位置之單位。

這個競合關係，在達到暑期的結果時便已確立，而臺法團隊是動作最快的。由前述單位與團隊組成的雙光子分析核心團隊，共同協調將所有的分析匯整成baseline基準分析，藉每一組均獲致相同的結果產生出最後的共同結果。

如此一來便是經彼此獨立確認過的，確保不會出錯。12月13日公佈的2010-2011年所有數據的分析結果，其背後便是這樣的多人、多團隊共同合作的成果。其實，到135 GeV以下，ZZ導致的四輕子事件已到強弩之末，非有雙光子事件共襄盛舉不可。衡諸2011年的數據，雖説是有些許的徵兆，但實不足以下定論。若這微弱徵兆不真，則加一倍數據，到2012年的暑期高能大會，應該就能否證。若這個徵兆為真，則到了明年暑期會增強，但需要2012年全年、希望能有到如今四倍以上的數據量，才能確認。無論是確認有、無，均將是高能物理的巨大進展，並且指日可待。

臺大高能組在CMS物理分析的主打方向，並不是希格斯玻色子（因為預期這個主戰場競爭或許過於激烈），乃是另闢蹊徑，搜尋新的極重夸克，在2011年已有兩篇通訊論文發表，並有新的一篇論文正快要通過CMS的内審。這個方向總其事的乃是陳凱風副教授。臺大的另一條戰線，乃是從事「底部事件」的分析，對校正模擬分析、增加背景了解十分重要，甚至或可幫助了解高能宇宙線的組成。在這方面由臺大副研究員巴保祿主領，在2010及2011年分別各有一篇論文發表。自LHC對撞以來，在有173單位參與的CMS實驗所發表的約90篇物理論文中，臺大CMS團隊能有四篇，表現還算不錯，盼2012年能更上一層樓。

臺大高能組經過去數年的積極努力，在已經掌握的前置簇射器運行並物理分析開花結果外，由侯維恕教授提出以搜尋四代夸克為主軸的「攻頂計畫」，自2010年起獲國科會通過五年。除了上述物理分析，最重要的是加入CMS實驗的畫素偵測器第一期升級計畫，預計約2016年置入。另外則提出強湯川耦合的晶格研究，以配合CMS物理分析及現象學的發展，面對重夸克及電弱介子的可能新生強作用。綜觀臺大高能組主導的大強子對撞機研究，在攻頂計畫加持下，在CMS實驗方面以侯維恕教授總其成為全臺大CMS團隊的代表（CBI）、呂榮祥助理研究學者為主領硬體工作及希格斯物理分析並常駐CERN之副代表（CBD）、陳凱風副教授總領物理分析並分別各半時間駐CERN及駐臺的另一副代表（UOD）。而在與實驗配合的現象學由侯教授推動、並由2012年一月起將有Johan Alwall博士加入為臺大助理研究員協助推動，在強湯川耦合晶格研究方面則由交大林及仁助理教授負責、並與德國DESY-Zeuthen人員合作。這是國科會藉攻頂計畫及一般計畫、並獲臺大拔尖計畫共同支持的重點計畫，在臺大李校長的重視與期許下，盼能在未來數年重點突破，提升臺大及我國的研究水準。（侯維恕教授提供）