台湾物理研究发展概述（上）

报告等资料显示，目前台湾物理学研究主要集中在天文及天体物理、基本粒子与宇宙学、高能物理实验、原子核物理、凝聚态与表面物理、统计与计算物理、生物物理、流体与非线性物理等领域。

粒子物理与宇宙学

在粒子物理领域，台湾因缺少大型实验设备，故以理论研究为主，其研究人员主要分布在台湾中研院、台湾大学、新竹清华大学、成功大学、台师大、中央大学、中原大学、东海大学、中兴大学和新竹交通大学等机构，根据专长和爱好组成研究团队，每年固定召开研讨会，相互启发，共同促进理论水平的提高。

例如在2000年，台湾一组科研团队发现重介子非轻子弱衰变的规范不变及发展红外有限理论，即在微扰量子色动力学的因次化定理架构下，可建立一个规范不变及红外有限的理论，避免红外无穷大问题。

台湾科学家2001年提出量子动力学及弦论新算法，藉由非交换几何的描述研究相关问题。此外，提出研究B介子衰变的量子色动力学理论，借着对强作用机制的掌握，从实验数据可精确萃取标准模型中的弱相角等基本参数。2002年，在在弦论方面，推导S-膜的有效作用量，并求出在超光速粒子的背景下形成基本弦的解。

台湾科学家2004年推论，奇夸克和底夸克间可能有相当大的混杂，因此会造成新的CP相位及右手动力学；利用手征对称来探讨π介子、K介子和η介子等粒子光锥分布函数的SU（3）违逆，并建立具有交互作用及化学位能的非相对论性费米子系统（自旋1/2）的晶格场论，这个理论可以应用在粒子间距大于位能作用范围的情况，而且不会有符号问题。

2007年，台湾科学家提出B介子衰变的偏极化问题，给出不同的衰变其湮灭图贡献的关系式。2008年，提出寻找希格斯波玻色子时可籍由其一种衰变模式，即当其衰变成4个底夸克所形成的不变质量，来补偿寻找希格斯粒子的可能机会。

近几年，随着欧洲大型强子对撞机（LHC）正式运行并不断公布最新实验结果，开展对标准模型以外新物理现象的研究，成为岛内新热点。例如台湾大学物理系何小刚教授及其团队在2010年发现，标准模型不可能得出2005年在美国费米实验室的Hyper CP发现大于标准模型预言的Σ+->pμ+μ-衰变率的结果，这一结果有可能解释为一质量为214MeV的新粒子引起的反常现象。这一模型有很强的预言性并能被LHC实验检验，如暗物质的直接产生等，并存在其它新粒子的可能性。

此外，2011年，台湾中研院物理所李湘楠与美国密西根州立大学研究人员合作，以微扰量子色动力学的重求和方法为基础，建立强子对撞机中喷流现象的理论架构，成功描述费米实验室及欧洲大型强子对撞机测量的喷流质量与喷流内部的能量分布，首度实现物理学家以量子场论研究喷流现象的想法。

高能物理实验

在高能物理实验领域，由于台湾岛内缺少大型实验设备，只能借助外国。上世纪90年代，经美籍华裔科学家丁肇中的安排，有5名台湾科学家先后赴欧洲核子研究中心（CERN）从事高能物理方面的实验研究。自2001年起，他们开始加入大型强子对撞机中的紧凑型μ子螺旋管探测器（CMS）研发制造团队，负责前端的预显示探测器的建造、运行维护与数值分析，与国际上一流研究团队合作，共同寻找希格斯粒子。

近年来，台湾科学家还参加大型强子对撞机寻找希格斯粒子最重要的衰变频道（希格斯粒子衰变到双光子频道）物理分析，为2012年新发现一个类似希格斯粒子的新玻色子做出成绩。此外，他们还投入对重夸克的探索，已成功的提出几项与重夸克有关的重要成果，在相似于标准模型下前三代夸克的序列型第四代夸克，以及非标准的奇异夸克的研究上皆有贡献。

经华裔科学家叶恭平的协助，台湾中研院物理所部分研究人员1993年加入美国阿贡国家实验室的费米碰撞探测器（CDF）研发团队，参与粒子探测器的建造（负责提供并列光纤传输模组）与实验结果分析。1年后，该团队顺利发现顶夸克。2004年，该团队发现由5个夸克所构成粒子，被认为是过去30年中首次观察到重子、介子之外，新一类多夸克所构成粒子的最明确证据。

1999年，台湾大学高能物理研究人员又参与日本B介子工厂Belle实验，致力于B介子的稀有衰变与CP破坏的研究，在2005年发现了B介子到两个K介子衰变的证据，确定“直接”电荷宇称破坏。另外，还参与日本重子设施兴建计划，负责建造时间飞行探测器，利用50GeV高能质子束，进行粒子物理和核废料处理实验研究。

李世昌领导的台湾中研院物理所高能实验团队还参与建造人类第一个太空磁谱仪（AMS），由美国“发现”号航天飞机载往地球轨道进行测试，发现地球附近的太空中有许多以前从未观测到的高能量质子、电子、反电子及氦的同位素原子核氦3，其中反电子数约为电子的4倍，且氦3数量远多于氦4。

由台湾中研院物理所主导的“台湾中微子实验”是岛内首次开展的高能粒子物理实验。在台电公司核能二厂内，距离反应堆28米处建立实验室，以研究中微子物理特性。实验设备包括重量达50吨的屏蔽体，以防止宇宙射线及周围环境辐射所造成的背景干扰，还有精密的高纯锗及闪烁晶体探测器，加上性能先进的电子仪器，用来显视、监控、记录及分析探测器的信号。合作团队除了台湾中研院、核能所、新竹清华大学外，还包括来自大陆中科院高能研究所、原子能研究院、北京清华大学、南开大学、四川大学，以及土耳其与印度的科研机构。

该合作团队在2007年进行的中微子磁矩实验研究，灵敏度达到世界一流水平。2010年再接再厉，完成了中微子与电子交互作用截面的测量，所采用的极低能高纯锗探测器技术，其探测能量范围比之前更低100倍，成功开启了研究暗物质的视窗，在未被前人检验的能量区域里，证明粒子物理的标准模型依然有效，并限制了新物理理论的可能参数。所有实验结果确信没有发现任何中微子磁矩和辐射衰变的证据。其在2013年3月发表的最新数据，否定了美国CoGeNT实验在2011年发表的有关暗物质的证据及诠释，并引证其数据处理的不足之处。

目前，台湾科学家正在与北京清华大学等机构合作，在四川锦屏山地区建造世界最深的地下实验室，准备全力开展寻找宇宙暗物质的研究，备受国际同行期待。

原子分子物理

在原子分子物理领域，包括中低能核物理研究，主要在台湾中研院原子与分子科学研究所、原子能主管部门下属核能研究所及台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、中央大学、中原大学等研究机构开展，如利用激光冷却低温原子实验、激光等离子波电子加速器、同步辐射光源的相对比X光显微术等，开展夸克胶子等离子体的特性及原子核内的非线性动力学研究。

例如，台湾科学家发展出多重能量相位迭加的理论，即把光学全像术的概念，应用于波长小约1万倍的电子绕射上，将实验得到的电子绕射图案做简单的傅立叶转换，即可看到所测量系统的原子三维结构，并发现电子绕射图案或曲线的Patterson反转，也可直接获得所测量系统的原子三维结构。

2006年，台湾中研院原子与分子所的研究人员利用交叉分子束及先进的时间切片离子图像仪技术，测量高能量薁分子与氪原子在交叉分子束中碰撞的散射图像结果，藉由分析有机分子光化学实验所得到的能量转移机率分布函数，直接观察到超级碰撞（即一次碰撞转移很多能量）的存在。

新竹清华大学物理系王道维教授在2008年发现，如果考虑一系列多层的二维结构，这些冷分子是可以排成长链状的流体，造成一种以前只有在软物质物理或化学反应里看到的“极性流体”现象，但与之不同的是，这样的长链结构同时拥有温度与量子效应。由此证明许多在多分量低维度的半导体系统中的多体物理现象其实更容易在冷分子的系统内达成，原因是冷分子间的偶极作用力可以同时有排斥力与吸引力，且因作用力的主角可以为费米子或玻色子，这使得未来可以有更宽广的空间来研究一些多体物理的基本性质。

台湾大学物理系郭光宇教授2009年利用自己编写的相对论能带计算程序，率先用第一原理方法计算半导体块材的自旋霍尔效应，发现空穴型半导体如锗、砷化镓和砷化铝有可观的自旋霍尔电导率，说明实际半导体（超越Luttinger模型）存在自旋霍尔效应。另外，轨道角动量霍尔电导率比自旋电导率至少小一个数量级，也即自旋霍尔效应不会完全被轨道角动量霍尔效应抵消。同时，他也预言在半导体中存在交流的自旋霍尔效应。最后他还发现，可以利用半导体多层膜介面的应变来操控自旋霍尔效应。

2011年，台湾一组研究团队利用扫描穿透式电子显微镜结合电子损失能谱仪，分析钕锶锰、钛酸锶氧化物界面的绝缘性，发现界面上出现相互扩散并造成极性不连续平滑化，颠覆了传统科学界对绝缘界面不应出现净电荷的认知。

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