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。照：成功大學提供

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，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，夸克與膠子無法自由的存在，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。照：成功大學提供

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，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]。

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。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，成大物理系碩士生張哲嘉同學（現為神準科技工程師）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。」

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