王贻芳院士：粒子物理到止境了吗？我国有哪些作为？

2000多年前，古希腊的哲学家、科学家就在考虑有关国际来源和实质的问题，简直在同一个时分，我国的思维家也考虑了相似的问题。

不管对错，这些考虑都到达了一个新高度。一个文明能有这些巨大的人物，咱们都为之自豪。

惋惜到了近代，咱们对物质国际、国际的了解与考虑远远落后于西方人。现在的相关常识与理论，近90%以上都来源于西方的思维家和科学家。咱们天然也期望能在科学的深度与高度上，也能像文学、艺术、音乐、美术、体育相同，跟西方商讨商讨。

常常有人问：科学有什么用？其实科学便是比脑袋、比思维，看谁更深入、更前瞻，也不见得必定要有啥用。作为一个巨大的文明，就应该有相似的文明果实，而不是说非得从科学中取得些什么才搞科学。

事实上，假如是带着名利的初心去做，研讨必定做欠好，因为你会不断估计所谓的支付和收成，看它们是否成份额，而一旦有了这样的核算，就会堕入犹疑，乃至抛弃，尤其是像科学这种难以直接核算产出的事。

人类怎样才干看到更小？

粒子物理，也称高能物理，是对分子、原子、原子核研讨的天然开展与深化。那么对物质的根本结构，咱们是怎样进行研讨的？

最早靠的是显微镜，能够看到的最小规范为10-7米；然后是电子显微镜，最小调查规范推进了三个量级，抵达10-10米；但正常状况下的电子能量终究是有限的，所以需求依托加快器把电子提升到更高的能量，即更短的波长。如此一来，能够观测到的最小规范又提升了5个量级，约10-15米。

未来再往下也相同，因为测禁绝原理，为了看到更小的结构，只要进步能量、减小波长，别无他法，因为咱们就需求更高能量的“探针（光子/电子/质子）”——加快器和更杂乱的“眼睛（谱仪）” ——勘探器。这两者便是咱们其时研讨前沿微观国际最根本的手法。

揭秘：组成物质国际的最小单元

古希腊时期，人们以为构成物质国际的最小单元是原子。到了十九世纪末、二十世纪初，物质更精密的结构被发现了，便是中学时特别了解的卢瑟福行星模型——原子核里有质子和中子，而电子在外面绕着它转。

直到二十世纪五六十时代，人们在加快器试验中发现数百个新粒子。这些新粒子无法融入到其时那个美丽的电子模型系统下，一时引起了科学界的许多研讨和评论。

1964年，加州理工学院的盖尔曼教授提出了一个极端简略的模型，他以为粒子只要三种内部结构，他称之为夸克——上夸克（u）、下夸克（d）、独特夸克（s）。这些夸克能够以两个夸克（一正一反）构成一个介子，也能够以三个夸克构成一个重子。

在这两种方式下，这些夸克的不同排列组合给出了其时发现的几百种粒子的内部结构组成，并且成功预言了几种其时还没发现，但后来被证明的新粒子。

无疑，夸克模型取得了巨大的成功。1969年，盖尔曼教授取得了诺贝尔奖。

但夸克模型一起也带来了许多疑问，比方：为什么粒子不能由四个、五个乃至更多夸克组成？别的，为什么夸克没有第4种、第5种、第6种？

公然，很快咱们发现了第4种夸克。

1974年，丁肇中发现了一个全新的粒子，也便是J粒子。因为J粒子不能被三种夸克所解说，第四种夸克，即粲夸克（c）也浮出了水面。丁肇中也因而取得了1976年的诺贝尔奖。再后来，第五种、第六种夸克，即底夸克（b）、顶夸克（t）也相应被发现。

除了夸克之外，根本粒子别的还有一大类，叫轻子。咱们发现的第一种根本粒子——1897年发现的电子——便是一种轻子。

后来在1936年，咱们发现了另一种和电子极端相似（除了质量以外其他性质都相同）的轻子，取名为μ子。1975年，又发现了一个相似但比电子、μ子都更重的轻子，叫τ子。

事实上夸克的状况也相似——上、下夸克是最轻的第一代，而粲、独特夸克，以及顶、底夸克，别离对应着一个性质相同，但越来越重的第二、第三代。

别的1930年泡利从β衰变“能量不守恒”的现象中，提出了一种近乎隐形的新根本粒子。这种粒子悄然“拐”走了电子的能量，并在1956年的时分被观测到，它便是中微子。跟电子对应的中微子叫电子中微子，而跟μ子、τ子对应的别离叫μ中微子、τ中微子。

当然，许多人会问，已然有了第一、第二、第三代，会不会也有第四代？美国斯坦福直线加快器和欧洲核子中心27公里长的大型正负电子对撞机发现，中微子只要三代，也就意味着轻子、夸克也只要三代，没有第四代。

一切的根本粒子好像全在这儿了，至于为什么，现在为止咱们还没有搞清楚。

在这个模型下，物质国际简练、对称得极端美好。各种物质都能够由这些根本粒子树立起来。这些粒子之间互相产生联络，都是经过彼此效果力——或许传递这些彼此效果的粒子（场）完结的。咱们现在现已知道：传递电磁彼此效果的是光子，传递强彼此效果的是胶子，传递弱彼此效果的是W和Z玻色子。

除此之外，2012年，规范模型的一个魂灵粒子——希格斯粒子，总算被发现。

一向以来，根本粒子分量不共同背面的机制成谜，而希格斯粒子联系到一切粒子质量的来源，在全国际上万名科学家、工程师30多年的尽力下，总算被破解。这是粒子物理一个严重的历史性时间。

而在这个过程中，这样一个看似不着边际的研讨产生了一个完全推翻人类文明日子的要害技能——万维网，即依据互联网的文件、数据交互传输方案和技能。咱们现在所用的网站、浏览器及其底层技能等便是欧洲核子中心的科学家创造的。

所以说，假如非要核算科研的用途或性价比的话，光是这一项效果以及它带动的经济产出，就现已远远超越此前人类在粒子物理及整个根底科学研讨的悉数投入。

粒子物理到止境了吗？

到现在为止，粒子物理规范模型取得了差不多三十个诺贝尔奖，是人类文明开展的最高点之一，或许说是现在已知的最美丽的科学理论之一。

那么，粒子物理到止境了吗？未来的开展方向是什么？咱们要处理的问题其实还有许多。

第一个问题，是关于规范模型的。

规范模型里的这些粒子真的便是最根本的粒子了吗？仍是就像最初“无法切割的原子”相同，存在着咱们现在还不知道的更根本的内部结构？

这个模型有着如此美丽的对称性，不由让咱们联想到，会不会是有一个更深层次的结构，保证了它终究呈现出这样一个对称性？现在有许多科学家提出了一种理论，叫做复合模型，但惋惜还不太成功，需求持续尽力。

第二个问题，关于彼此效果的大共同。

历史上，咱们曾有过电彼此效果和磁彼此效果的共同，造就了极端美丽简练的麦克斯韦电磁方程；咱们也有过弱彼此效果和电磁彼此效果的共同，诞生了弱电共同理论。

所以，许多人尤其是信任国际简练美的科学家们，天然也会问：弱电彼此效果能不能跟强彼此效果共同起来，成为大共同理论？乃至再进一步，弱电、强、引力彼此效果全都共同起来，成为比方超弦理论。但到现在为止，这些问题都还没有处理。

第三个问题，关于希格斯粒子。

希格斯粒子是仅有一个已知自旋为0的“根本”粒子，傍边是否有什么更深层的隐秘？希格斯粒子赋给一切粒子质量，但其本身的质量又从哪里而来？希格斯的质量会导致真空不稳定，这样的规范模型是对的吗？希格斯粒子和暗物质的联系又是什么？

别的，前面说到了电磁、强、弱三种彼此效果，希格斯粒子还触及两种全新的彼此效果，叫自耦合（希格斯粒子之间）和汤川耦合（希格斯粒子与费米子之间），傍边的大部分细节都仍是空白。

第四个问题，国际学对粒子物理的应战。

咱们知道，国际中存在着许多的暗物质和反物质，而粒子物理规范模型里没有暗物质粒子的方位，也无法解说为什么国际中反物质会消失的问题。

这种种的问题都告知咱们，规范模型并不是一个齐备的理论，还有许多问题它没有也无法处理。

对此，咱们未来的研讨有两个大方向：

第一、研讨新的理论。比方咱们对引力理论进行批改，防止暗物质、暗能量的引进。现阶段它们仅有的试验依据是地理观测，而这些地理观测实际上都关乎引力，或许存在一个或几个“正确”的引力理论批改方法。别的，咱们也或许需求一个新的粒子物理理论，引进更大的物质—反物质不对称性来解说反物质消失之谜。

第二、寻觅新的依据。比方经过各种方法，在太空、在地下、在加快器或中微子设备中寻觅更多关于暗物质、反物质、中微子等的新物理现象。

但新的观念、新的依据，需求经过新的试验指引咱们往哪个方向去走。

我国不再缺席

到现在为止，粒子物理范畴呈现了这么多的严重发现和这么多的诺贝尔奖，却跟我国一点联系都没有。所以八十时代初，邓小平决定制作了北京正负电子对撞机。

在这之后，我国的许多技能水平一会儿提了起来，填补了二三十年的间隔。科学发现上也有一些严重打破。

四夸克态粒子

关于夸克模型，咱们方才提出了一个疑问：为什么只要两个或三个夸克组合而成的粒子？

2013年，咱们成功看到了第一个由四个夸克（两个c、一个u、一个d）组成的粒子，国际上首要的科学媒体都做了报导，乃至在《物理》杂志2013年国际物理学十一项重要效果中位列第一，在国际科学开展史上留下了咱们的脚印。

中微子

在规范模型中，中微子的存在一向适当独特。除了它难以勘探、鬼魂般的存在以外，性质也很奇怪，它只存在左旋，没有右旋——换言之，它造成了弱彼此效果下的宇称不守恒。

别的，中微子的质量一向是个谜。

在粒子物理的规范模型中，依据螺旋性丈量，中微子的质量被假设为0。但在国际学的规范模型中，国际今日构成的大规范结构以及不均匀的密度，要求中微子质量不为0。那么中微子质量究竟是不是0？

1950时代，意大利物理学家庞特科沃指出：中微子能够产生振动，即从一种中微子变到别的一种中微子；傍边微子产生振动，振动的几率跟中微子的质量有关——质量假如等于0，中微子不会振动。反之，假如发现了振动，就意味着中微子是有质量的，假如能把振动的数据测出来，就能够得出中微子的相对质量或许质量差。

1998年，日本的超级神冈勘探器观测到了大气中微子振动；2002年，加拿大萨德伯里观测站也观测到太阳中微子振动，并给出了中微子的质量差。

已然咱们看到了两种中微子的振动：θ₁₂，θ₂₃，很天然，咱们也猎奇中微子θ₁₃的振动状况是怎样的。

其时大部分的中微子振动模型都以为 θ₁₃为0，许多理论物理学家也倾向于信任国际契合美丽的数学方式。但明显，理论归理论、美学归美学，科学需求实证。

所以咱们开端了大亚湾试验。2012年3月8日，成功勘探到了新的中微子振动方式，并且剖析了中微子振动随间隔的改变。这项发现在国际上产生了很大的影响，也被美国《科学》杂志（Science）列为2012年度十大科学打破。

2015年，江门中微子试验发动建造。科学方针确定为：

一、了解中微子的质量次序。前面说到的中微子试验，终究测出的都是中微子质量差的肯定值而不是其本身的相对质量。

二、把中微子振动参数的精确度进步一个量级。

此外，咱们还能够研讨更多中微子现象，比方超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等等。未来，还能对试验进行改造，转到丈量中微子的肯定质量，断定中微子是否是其本身的反粒子等等。

在江门中微子勘探器的建造过程中，咱们克服了不可思议的技能困难。比方咱们自主研制的国产光电倍增管，能够将一个光子转换为一个电子的功率从传统的20%提升到30%。技能水平到达国际抢先地位，一起还设立了研讨院推进其它的使用方向，如高速光电器材等等。

我国的下一代高能加快器：技能抢先的要害

粒子物理开展到现在，除了中微子振动之外，规范模型的树立简直都依赖于加快器。所以在未来，要处理以上问题，加快器不能说是仅有手法，但肯定是最首要的手法。

至于建什么样的加快器，存在各种挑选（直线、环形，电子、质子），各有各的可行性，那么我国的高能物理该走哪条路？

2012年，咱们发现关于我国最佳的技能道路和方案便是：先做环形正负电子对撞机，然后在完结它运转任务之后，在同一个隧道里做质子对撞，一道两用。

虽然这个方案一开端受到了许多质疑，但5年后，欧洲核子中心也终究宣告，他们以为，建环形加快器的最佳方案与咱们共同。虽然咱们在规范模型方面还未有建树，但至少在高能物理未来开展的道路图上，咱们走在了国际最前面。

挑选这样一个方案，会给咱们带来怎样的机会？

1. 希格斯粒子是全球一致最重要的粒子，并且希格斯粒子质量小，刚好在环形加快器还能够做的规模。

2. 欧美日无暇他顾，欧洲核子中心2019年发布的FCC方案估计2038年建成，而咱们估计2028年可竣工，有十年的窗口期。

3. 我国有三十多年北京正负电子对撞机的经历。并且，在曩昔8年的尽力下，要害技能跟国际水平现已十分挨近。

更重要的是，这样一个科学设备对我国全体的技能开展与使用有巨大的推进效果。不管是国内已有的技能更上一层楼，仍是国内空白技能完结国产化，咱们都现已进行了途径规划，尤其是高温超导、等离子体加快等的革命性要害技能。

历史上，对撞机技能曾催生了加快器的广泛使用。比方怀柔要建的同步辐射光源来源于环形对撞机，上海要建的100亿自由电子激光来源于直线对撞机。

而这些技能，又成了更多范畴的柱石。

例如同步辐射及散裂中子源，是资料结构与功能研讨的利器；

辐照效应，紧紧触动着华为、紫光、比亚迪、东阳光等高科技企业在芯片、手机终端、锂电池、先进制作、医药等方面的研讨；

散裂中子源，催生了BNCT医治技能，使用中子炮击癌细胞，精准、辐照损害小，并且设备成本低，是现在最先进的癌症医治手法之一。

但假如高能物理不抢先，这些方面永久只能跟着他人跑。他人有了，咱们再跟在后面，即便目标有时稍微抢先，但技能的源头终究是国外，不是咱们的原创。所以没有科学上的抢先，就没有技能上的抢先，只能被人卡脖子。咱们唯有自动承当危险，才干真实掌控整个要害技能。

粒子物理是人类文明的标志性成果之一，我国正在寻求从一席之地，走到全面抢先。

本文来自微信大众号：高山书院，作者：王贻芳（高山书院参谋委员会委员，我国科学院高能物理研讨所所长、我国科学院院士、美国科学院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、开展我国家科学院院士）