基本粒子物理超入門：一本讀懂諾貝爾獎的世界級研究

　　．宇宙到底有多大呢？
　　．基本粒子到底有多小呢？
　　．為什麼物理學不討論幽靈呢？
　　．《星際大戰》裡的光劍做得出來嗎？
　　．世界級的研究卻因為夏季電費而停擺？

　　從基本的物理知識到科幻小說般的未知科學，
　　讓物理學家用最淺顯的文字回答所有疑惑！
　　連高中生都能理解的基本粒子物理學最新研究

　　用世界上最龐大的儀器
　　探究世界上最小的物質

　　基本粒子物理學究竟在研究些什麼？
　　說到底，基本粒子究竟是什麼呢？

　　簡單來說，就是非常小的物質。它們小到肉眼看不到。
　　那麼，應該要如何研究這些非常小的東西呢？
　　我們所使用的方式就是以人工方法製造基本粒子，再研究這些粒子。

　　若要從某個較大的物質中取出「基本粒子」的話，方法十分單純。

　　只要將比它大一個層級的物質「質子」用力丟向堅固的牆壁，把質子破壞掉就行了。
　　接著在從破壞後的碎片中撿拾基本粒子。
　　這種方法相當原始，很像是小孩會想到的方法，
　　卻也是物理學最先進的實驗室中所使用的方法。

　　本書是以作者在日本中央大學杉並高中所教授的四次課程內容為基礎製作而成。
　　第一章是以作者正在進行的微中子實驗為例，說明基本粒子物理學的研究內容。
　　第二章從物質的組成開始談起，介紹基本粒子的理論。
　　第三章則回答學生們所提出的各種問題，並進一步說明微中子。
　　最後，第四章則提到所謂的科學，永遠都是建立在前人的研究成果之上。
　　科學家們皆是因此不斷研究，並將成果公諸於世，後人便能以此為基礎，
　　也許百年後就會發現基本粒子的新用途。

　　◎日本AMAZON4.5顆星好評推薦
　　．用身邊的例子來說明，比起艱深的科學雜誌更容易了解。
　　．讀完已經過了好幾個月，基本粒子都還在我腦海中揮之不去。
　　．就好像身臨實驗現場一樣，內容專業但十分易懂。
　　．由科學家來解開微中子的謎團，100年後也許會變成人類所必備的知識。
　　．就算跳過比較難的知識，看插圖也能大致了解，連小學高年級的兒子也讀得很入迷。

 

前言

第一章 這個世界上最龐大、最精密的機械
J-PARC如何生成微中子？

300公里長的巨大「實驗室」
也會用在癌症治療與犯罪搜查上
世界五大加速器
總之就是很大！
宇宙到底有多大呢？
基本粒子到底有多小呢？
物理學最先進的研究，用的是小孩子都想得出來的方法
加速器的「油門」和「方向盤」是什麼呢？
人類做得出來的最大磁場，只有健康磁石的十倍左右
在一圈1.6公里的軌道上跑三十萬圈以後相撞！
抓好時間點，每二十萬分之一秒從後面推一把
從Giga到Tera——和硬碟容量一樣逐漸進化的加速器
集結了許多大企業的國家級計畫
中國花了二十年也做不出來？
或許你曾在哪裡聽過微中子這個詞，因為這是日本的專長
就像有多個影廳的影城般，J-PARC也是由數個加速器構成
打碎、濃縮、過濾——如何生成微中子
用超導磁鐵技術可以產生比健康磁石還要強二十倍的磁場
J-PARC的實驗裝置
用最龐大的裝置來研究最微小的事物

第二章 人類對於「小」的概念能夠理解到什麼程度呢？
基本粒子概論——從原子到夸克

Q 為什麼要做這個工作呢？
沒必要特地去做自己喜歡的工作
Q 要是發生地震等災害，造成研究設施停電的話，研究會停止嗎？
每年電費高達五十億日圓！
Q 會研究如何用粒子束來破壞物質嗎？
Q 你們怎麼會知道如何製造出微中子束呢？
在加速器出現以前，人們是如何研究原子的呢？
為什麼物理學不討論幽靈呢？
電子是什麼？
Q 如何用SPring-8查出咖哩有沒有下毒呢？
有毒咖哩內的原子為什麼會發光？
能夠查出犯人身分的最強科學搜查方法
帶正電的質子與不帶電的中子
Q 在加速器內繞圈圈的粒子（質子）是如何產生並放入的呢？
陽離子與陰離子的生成方式
離子源與電荷轉換裝置
天才學者包立預言了微中子的存在
支配自然界的四種力
以前人的命名拿到現在來看常讓人覺得尷尬
不用正或負來命名，改用紅、藍、綠
基本粒子整理
物理學家認為「做不到某些事」的原因

第三章 開拓「知識」的瞬間
超級神岡探測器如何捕捉微中子呢？

Q 您說J-PARC的離子源一開始會先製備H-離子，之後再轉換為H+離子。為什麼這樣會比較好加速呢？
Q 我想知道更多關於HIMAC的事
Q 怎麼用中子破壞癌細胞呢
Q 為什麼電子在急轉彎時會放出光線呢？
Q 電子一秒會繞原子核幾圈呢？
Q 只用質子和中子就能製造出任何物質嗎？
Q 為什麼我們可以測出質子和中子的質量是多少呢？
Q 為什麼在基本粒子的世界中，15分是很長的一段時間呢？
Q 電漿與基本粒子有什麼關係嗎？
Q 《鋼彈》裡的粒子束刀或《星際大戰》裡的光劍做得出來嗎？
東西被破壞時會產生微中子
為什麼當我們暴露在微中子射線下時一點感覺都沒有呢？
宇宙中到處都是光和微中子
Neutrino（微中子）並不是New-torino，而是Neutr-ino
Q 微中子比電子還要小嗎？
難以想像的「捕獲難度」
無法像製造電器產品般製造出微中子產品的原因
利用弱交互作用看到微中子
為什麼可以飛得比光速還快？
神的影像源自於契忍可夫輻射嗎？
造就諾貝爾獎得主的劃時代實驗裝置
人類第一次不使用光來觀測天體的瞬間
不守株的話就等不到兔子
微中子的兩個未解之謎
微中子會在三個種類間變來變去
Q 從宇宙中飛來的天然微中子和加速器製造出來的微中子束有什麼不同呢？
掀起全世界討論熱潮的驚人實驗（第一世代）
T2K實驗可以拿到諾貝爾獎嗎？
Q 微中子束通過的路上沒有障礙物嗎？
Q 穿過地球的微中子為什麼可以被超級神岡探測器探測到呢？
Q 微中子要花多少時間才會抵達神岡探測器？
Q 有任何證據可以證明神岡探測器所觀測到的微中子真的是從東海村發射出來的微中子嗎？
Q 日本會輸給美國或歐洲嗎？
有競爭才有進步
Q J-PARC在國會預算會議中沒有被刁難嗎？

第四章 為了一百年後的世界而發展的物理學
與相對論和宇宙的關係

Q 兩把光劍互擊的時候真的會互相彈開嗎？
Q 若能碰到極光的話，會像是被雷打到一樣有觸電的感覺嗎？
Q 微中子是由什麼構成的呢？
Q 為什麼當不同微中子的質量有差異時，會彼此影響產生變化呢？
Q 藉由光觀測天體與藉由微中子觀測天體有什麼不一樣呢？
Q 可以從日本發射微中子束至美國或歐洲的探測器嗎？
Q 除了水以外，有沒有其它方法可以探測微中子呢？
Q 超級神岡探測器裡面的水有必要使用純水嗎？
Q 將光打在光電倍增管上時就會產生電流，這和太陽能板不是很像嗎？
力是什麼呢？
Q 強交互作用是如何運作的呢？
仔細看「弱交互作用」會發現……
不是傳接球而是單方面狂丟球
T2K實驗中會如何應用弱交互作用呢？
以能量製造出粒子
夸克漂浮在由能量組成的高質量濃湯內
出現瞬間就消失的弱玻色子，其質量卻大得不可思議
為什麼人類沒辦法實際感受到強交互作用與弱交互作用呢？
Q 當微中子穿過地球的時候，會不會受到重力影響呢？
Q 《福音戰士》中的陽電子砲有辦法做得出來嗎？
「屋島作戰」真的有用嗎？
能量轉換效率很差的炸彈
Q 相對論究竟是甚麼呢？
融合了光的世界與力的世界的理論
Q 光是以什麼為介質前進的呢？
可以把比光速還快的粒子縫在襪子裡面嗎？
Q 時光機做得出來嗎？
愛因斯坦添加的謎之「宇宙常數項」
從被拋起到落地的這段時間，就是我們所處的世界嗎？
宇宙的誕生與未來的樣子
誰「拋起」了宇宙？
若能看到140億光年遠的地方＝看到「過去」的樣子……
看得到的宇宙邊界
為什麼我們能存在於這個宇宙內呢？
在十億個粒子中只找得到一組成對的「物質」
佔了宇宙96%的「黑暗」
Q 暗物質是什麼呢？
連愛因斯坦都不知道自己有多天才
Q 多田老師有沒有想過，微中子可以有哪些用途呢？
在三十年前的人們想像中，三十年後的科技是什麼樣子？
手機就是由許多不曉得未來可以做什麼用的技術製作而成
研究發表會，就像是把各種商品陳列在東急手創館的架上
為了一百年後的人們

後記

 

作者簡介



多田將

　　一九七〇年出生於大阪府。
　　京都大學理學研究科博士畢業。
　　曾任京都大學化學研究所兼任講師，
　　現為高能量加速器研究機構．基本粒子原子核研究所助理教授。