陳明水 李衡訥 李玉峰 呂曉睿 阮曼奇 周寧

自從文明誕生之日起，人類便一直在探尋這個世界到底是由什么構(gòu)成的，它又是以怎樣的規(guī)律運轉(zhuǎn)的。3000多年前的古中國，人們曾經(jīng)認(rèn)為世界是由金、木、水、火、土這5種元素組成。公元前6世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家提出了物質(zhì)是由基本粒子組成的猜測。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質(zhì)是由原子組成的理論。到了20世紀(jì)，隨著近代物理學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進步，人們逐漸具備了深入理解原子的能力，了解到原子是由更基礎(chǔ)的粒子組成的，并且能夠定量地研究其相互作用力。在人類文明史中，物質(zhì)的基本組成及其相互作用始終是人類認(rèn)知領(lǐng)域最前沿的問題，而粒子物理學(xué)便是當(dāng)代物理學(xué)中研究這個基本問題的分支。

在過去的三四十年里，物理學(xué)家逐步建立了粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”框架。在這個框架里，人們是以基本粒子的概念理解這個世界的。基本粒子分為兩類，構(gòu)成物質(zhì)的費米子和傳遞相互作用的玻色子。物質(zhì)粒子分為輕子和夸克 2個類別，每個類別又有3代6個之分。上夸克和下夸克組成了宇宙中絕大部分物質(zhì)的原子核，而原子核加上核外電子組成了原子，原子又進一步組成了分子，分子繼而組成了包括我們每一個人的身體在內(nèi)的宇宙萬物。宇宙中還有不計其數(shù)的中微子在穿行，很少與物質(zhì)發(fā)生相互作用，數(shù)以億計的中微子每時每刻都在穿過人的身體。其他的夸克和輕子壽命一般很短，在宇宙射線中會出現(xiàn)，或在高能加速器中被瞬間產(chǎn)生出來。這些物質(zhì)之間的相互作用由玻色子傳遞。其中電磁相互作用由光子來傳遞，弱相互作用由W和Z玻色子傳遞，強相互作用由膠子來傳遞。除此之外還有一個希格斯（Higgs）玻色子，它是給予物質(zhì)粒子質(zhì)量的希格斯場的激發(fā)態(tài)，是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型雖然很成功，但它不能解釋全部問題。如標(biāo)準(zhǔn)模型中并不包括人們?nèi)粘Ｉ钪懈惺艿降娜f有引力。如何將引力統(tǒng)一進來，到目前為止仍然是個迷，仍無法理解從天文學(xué)觀測中所預(yù)言的造成宇宙加速膨脹的暗物質(zhì)和暗能量。據(jù)推算，如果宇宙的加速膨脹是由暗物質(zhì)和暗能量造成的，那暗物質(zhì)和暗能量要占據(jù)宇宙總量的96%，而粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型只能描述宇宙總量的不到4%。除此之外，物質(zhì)粒子都有其對應(yīng)的反物質(zhì)粒子，正、反物質(zhì)的數(shù)量如果嚴(yán)格相等，那這個正物質(zhì)組成的世界是不存在的。

為解開這個由正物質(zhì)組成的世界得以存在的謎團，人們利用現(xiàn)代科技建設(shè)了各種實驗裝置。其中包括位于歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機、位于北京的北京正負(fù)電子對撞機、位于日本筑波的高能加速器設(shè)施、位于廣東沿海的大亞灣中微子實驗、位于四川錦屏山隧道中的錦屏地下實驗室以及發(fā)射到太空中的“悟空”探測器等。本文從希格斯物理和新物理尋找、中微子物理、暗物質(zhì)研究、新強子態(tài)及未來對撞機研究等方面介紹2018年粒子物理學(xué)的進展。

1 希格斯物理和新物理尋找

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，希格斯粒子占據(jù)著至關(guān)重要的位置，負(fù)責(zé)了基本粒子的質(zhì)量起源。在2012年，希格斯粒子被位于歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）上的兩大實驗組超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊繆子線圈（CMS）同時發(fā)現(xiàn)，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個基本標(biāo)量粒子，也是標(biāo)準(zhǔn)模型框架中最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子。但是受限于數(shù)據(jù)量，科研人員對它的屬性尚沒有足夠精確的認(rèn)識。它的屬性是否與標(biāo)準(zhǔn)模型理論的預(yù)測相符，特別是它是否如標(biāo)準(zhǔn)模型理論所預(yù)言的與費米子也有直接相互作用，這些問題是利用希格斯粒子進行新物理尋找的突破口，需要實驗上獲取更多數(shù)據(jù)進行檢驗，是LHC的主要物理目標(biāo)之一。

2018年12月LHC完成了自2015年開始的第二輪運行，CMS和ATLAS實驗分別采集了約 150 fb-1質(zhì)心能量為 13 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對撞數(shù)據(jù)，此后進入了為期 2年的長停機及維護升級階段。在基于前期部分對撞數(shù)據(jù)的分析中，CMS和ATLAS實驗組于2018年分別獨立地以超過 5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計顯著性先后發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了希格斯粒子與頂夸克粒子（top quark，標(biāo)準(zhǔn)模型理論中最重的夸克）伴隨產(chǎn)生的機制和希格斯粒子到底夸克粒子的衰變模式，完成了希格斯粒子與第三代費米子直接相互作用的實驗觀測。這些結(jié)果入選了美國物理學(xué)會評選的2018年度國際物理學(xué)十大進展。其中，中國ATLAS和CMS研究團隊也在這些結(jié)果中做出了重要貢獻。目前實驗上測得的希格斯粒子與基本粒子的相互作用強度在數(shù)個量級的質(zhì)量區(qū)間與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測在實驗允許的誤差范圍內(nèi)相符。

在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理尋找方面，CMS和 ATLAS兩大實驗組仍然沒有任何顯著的偏離標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測的公開結(jié)果。目前，研究人員正在緊張地對第二輪運行采集的所有數(shù)據(jù)進行分析。首批基于全部數(shù)據(jù)的物理分析結(jié)果將有望于2019年相繼公布。屆時希格斯粒子性質(zhì)的測量及大量新物理尋找的靈敏度都會有顯著提升，有望取得新的重大進展。

2 中微子物理

最近20年來，中微子科學(xué)的研究取得快速的突破，從1998年日本超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩到 2002年加拿大 SNO實驗發(fā)現(xiàn)太陽中微子味轉(zhuǎn)化效應(yīng)，再到2012年中國大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)θ13驅(qū)動的新型振蕩模式。一系列中微子振蕩的實驗結(jié)果確立了三代中微子振蕩的完整框架。

2018年中微子領(lǐng)域的重大事件，最顯著的是南極的冰立方（IceCube）實驗首次觀測到遙遠星系的耀變體發(fā)出的高能中微子信號，并且與美國費米伽瑪射線太空望遠鏡等全球多家光學(xué)望遠鏡觀測到的信號一致，首次實現(xiàn)了高能中微子信號參與的多信使的天文學(xué)觀測，具有重大的開創(chuàng)意義。這次耀變體的觀測和2017年中子星合并事件的引力波和光學(xué)信號聯(lián)合觀測一起推動了多信使天文學(xué)時代的來臨。此成果被《Science》評為雜志2018年度最重要的十大科學(xué)突破之一。

在超出三代中微子振蕩框架的新物理尋找方面，基于一系列短基線中微子實驗的輕惰性中微子是近年來中微子物理的熱點問題之一。2018年，美國Fermi實驗室的MiniBooNE發(fā)布了新的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)中微子事例能譜的低能量區(qū)域存在明顯的超出現(xiàn)象，與之前LSND實驗的反常超出信號類似，再次引起了中微子相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但是在最小的惰性中微子模型中，LSND和MiniBooNE的反常信號和其他加速器和反應(yīng)堆實驗的結(jié)果存在矛盾。未來可能的出路包括更復(fù)雜的惰性中微子模型或者某些實驗存在可質(zhì)疑的地方。

在非振蕩中微子實驗領(lǐng)域，尋找0 ββ變的實驗正在如火如荼地進行?；贕e76、Xe136和Te130等同位素的0 ββ變實驗相繼給出了結(jié)果，但還沒有找到0 ββ衰變的信號，此過程的壽命已經(jīng)限制到大于1025～1026年。如果中微子是馬約拉納粒子并且標(biāo)準(zhǔn)的三代中微子是產(chǎn)生0 ββ衰變的主要來源，那么將有很大可能0 ββ衰變的壽命小于或接近1028年，因此未來幾年是0 ββ衰變實驗快速發(fā)展的關(guān)鍵階段。

2018年另一個非振蕩實驗的進展是建設(shè)多年的3H貝塔衰變實驗KATRIN在德國的卡爾斯魯厄開始正式運行，將直接測量中微子的絕對質(zhì)量。其靈敏度相對之前實驗將提高1個量級，達到0.2 eV的水平。

未來幾年還將是中微子物理蓬勃發(fā)展的階段，中微子質(zhì)量順序、輕子CP破壞相位的測量以及0νββ衰變的搜尋構(gòu)成未來實驗的三大物理目標(biāo)。中國江門中微子實驗將有望針對質(zhì)量順序率先獲得國際具有競爭力的實驗成果。2018年江門實驗建設(shè)進展順利，預(yù)期2021年開始運行取數(shù)。此外，中國也有多家單位開始布局0νββ衰變的實驗研究，力爭在這項高競爭、高風(fēng)險、高回報的研究領(lǐng)域達到國際先進水平。此外，中微子天文學(xué)的研究也是方興未艾，冰立方等實驗的高能中微子探測，以及未來中國江門和錦屏中微子實驗的太陽、地球、超新星中微子的探測必將引領(lǐng)中微子天文學(xué)的蓬勃發(fā)展。

3 暗物質(zhì)研究

暗物質(zhì)和暗能量被稱為“籠罩在 21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。為了揭示暗物質(zhì)的本質(zhì)，粒子物理學(xué)家和天文物理學(xué)家正通過不懈的努力研發(fā)、設(shè)計各種精密實驗，進而探測暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)之間可能存在的微弱相互作用。目前科學(xué)家采用的探測手段可以分成 3類，包括直接探測（探測暗物質(zhì)粒子碰撞探測器引起的靶物質(zhì)反沖信號）、間接探測（探測宇宙中暗物質(zhì)衰變或者湮滅的產(chǎn)物）和對撞機探測（通過高能粒子加速對撞產(chǎn)生暗物質(zhì)）。如果某個實驗出現(xiàn)了暗物質(zhì)疑似信號，其他實驗可以進行獨立的檢驗和物理性質(zhì)測量。

在暗物質(zhì)直接探測上，多種探測物質(zhì)類型和信號探測方式各顯神通，覆蓋暗物質(zhì)參數(shù)空間的不同區(qū)域。在約6 GeV/c2以上的大質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間，氣液二相型氙探測實驗通過采集反沖產(chǎn)生的光和電信號，繼續(xù)向更低相互作用區(qū)域推進。位于錦屏地下實驗室的中國PandaX二期580 kg液氙實驗在2017年公布世界領(lǐng)先的暗物質(zhì)探測結(jié)果之后，繼續(xù)采集暗物質(zhì)數(shù)據(jù)，至2018年末將數(shù)據(jù)曝光量又提升了 1倍以上，目前最新的實驗數(shù)據(jù)正在緊張分析中。同時，PandaX實驗利用已公布的54 t·d曝光量的數(shù)據(jù)對多種暗物質(zhì)模型進行了搜索，其中對輕傳播子暗物質(zhì)模型的結(jié)果對能夠解釋星系尺度宇宙結(jié)構(gòu)“小尺度危機”的自相互作用暗物質(zhì)模型給出了目前為止最強烈的限制。另外，PandaX實驗進一步推進了自旋相關(guān)的暗物質(zhì)模型的世界限制，并對軸矢量、張量、磁偶極和電偶極等有效場模型給出新的限制。

位于意大利Gran Sasso地下實驗室的XENON1T液氙實驗在2018年公布了噸年（使用1 t液氙進行實驗運行1年，下同）曝光量的數(shù)據(jù)，對自旋無關(guān)的暗物質(zhì)模型有了更強的限制。值得關(guān)注的是，噸級的XENON1T實驗在信號區(qū)間開始觀測到一些事例，并研究了來自 200 GeV暗物質(zhì)信號的概率。雖然XENON1T結(jié)果中沒有出現(xiàn)顯著的信號超出，但這使得未來多噸級液氙實驗更加令人期待。目前，正在緊張研發(fā)的下一代多噸級液氙實驗有中國的PandaX-4T、歐洲的XE-NONnT實驗和美國的LZ實驗，預(yù)期在2～3年后能有物理結(jié)果，最終能夠把探測靈敏度提高 1個數(shù)量級，達到暗物質(zhì)理論參數(shù)范圍的中心區(qū)域。

同樣對大質(zhì)量暗物質(zhì)有靈敏度的液氬探測實驗也在不斷向前發(fā)展。中國參與的 DarkSide-50實驗利用46 kg低放射性的液氬進行暗物質(zhì)探測，在2018年也公布了近17 t·d曝光量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用氬發(fā)光的波形甄別技術(shù)給出了相應(yīng)的暗物質(zhì)排除上限。未來多噸級的液氬升級計劃也在逐步研發(fā)中。

由于小質(zhì)量暗物質(zhì)引起的反沖信號能量低，探測器的能量閾值是小質(zhì)量暗物質(zhì)探測的關(guān)鍵指標(biāo)。中國的CDEX實驗利用10 kg高純鍺點電極探測反沖信號，探測閾值在160 eV，在2018年公布了103 kg·d曝光量的數(shù)據(jù)，在5 GeV/c2質(zhì)量附近的暗物質(zhì)區(qū)域取得世界最強的限制。對于更低質(zhì)量的暗物質(zhì)，一些新的探測方式發(fā)揮了重要作用。如液氬探測實驗DarkSide-50利用反沖產(chǎn)生的電信號放大效應(yīng)同時降低光信號的要求，將探測閾值降到100 eV；高純鍺探測實驗CDMSlite利用新型高壓模式，將探測閾值降低到56 eV。晶體探測實驗CRESST利用超低溫CaWO4探測，甚至取得了低于1 GeV/c2質(zhì)量暗物質(zhì)和核子相互作用的探測靈敏度。

暗物質(zhì)除了可能和原子核碰撞，也有可能和核外電子發(fā)生相互作用。由于電子質(zhì)量遠小于原子核，暗物質(zhì)和電子碰撞產(chǎn)生的反沖信號更加微弱。一些小型研發(fā)性探測實驗專門針對這種信號開展了探測，如利用硅晶體的CDMS HVeV實驗和利用新型電荷耦合器件（CCD）技術(shù)的SENSEI實驗在2018年的結(jié)果驗證了暗物質(zhì)和電子相互作用的探測靈敏性。

在暗物質(zhì)間接探測方面，中國暗物質(zhì)間接探測衛(wèi)星“悟空”DAMPE實驗在2017年公布了電子觀測數(shù)據(jù)，在1.4 TeV高能電子處有明顯信號超出，有可能起源于暗物質(zhì)，引起了國內(nèi)外科學(xué)家的高度關(guān)注。至2018年12月，衛(wèi)星發(fā)射已滿 3年，達到預(yù)期使用壽命。目前衛(wèi)星運行狀態(tài)仍然良好，關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)仍在積累，衛(wèi)星科研團隊決定讓其繼續(xù)運行2年。期待“悟空”最新數(shù)據(jù)研究結(jié)果的公布。同時，美國AMS實驗繼續(xù)積累高能反電子和反質(zhì)子數(shù)據(jù)，進一步探索宇宙中的暗物質(zhì)衰變或湮滅的產(chǎn)物。

位于歐洲核子中心大型強子對撞機LHC上的AT-LAS和CMS實驗在對撞機暗物質(zhì)探測上繼續(xù)向前推進。中國科學(xué)家深度參與這兩個實驗，利用這個世界對撞能量最高的實驗環(huán)境，積極展開暗物質(zhì)探測研究。LHC利用高能質(zhì)子對撞直接產(chǎn)生暗物質(zhì)從而進行探測，在 2015年和2016年采集到的約36 fb-1數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在2017—2018年陸續(xù)發(fā)布。由于暗物質(zhì)直接穿越探測器不沉積能量，能夠探測的過程為高能可見粒子伴隨橫向丟失能量（暗物質(zhì)帶走的能量）最終態(tài)。這里可見粒子包括了夸克或膠子形成的噴注（包括頂夸克）、光子、矢量玻色子、希格斯粒子、甚至超出標(biāo)準(zhǔn)模型新粒子 Z′等。這些實驗結(jié)果對暗物質(zhì)和夸克相互作用的中間傳播子質(zhì)量在1.5 TeV以下給出了限制。另外，對撞機探測還可以直接尋找對撞產(chǎn)生的中間傳播子。中間傳播子既可以衰變產(chǎn)生暗物質(zhì)，也可以衰變到 1對夸克從而得到雙噴注最終態(tài)。在一定的中間傳播子衰變過程和耦合常數(shù)的假設(shè)下，通過對雙噴注最終態(tài)的尋找可以給出很強的中間傳播子限制，甚至可以覆蓋到2.5 TeV質(zhì)量區(qū)間。

2018年，暗物質(zhì)探測向更高的靈敏度推進，一方面在探測器體量和暗物質(zhì)數(shù)據(jù)量上不斷積累提升，另一方面各種新型探測方式在不同暗物質(zhì)參數(shù)空間得到驗證。中國在直接探測、間接探測和對撞機探測這3個方面積極主導(dǎo)或者深度參與，繼續(xù)發(fā)揮著舉足輕重的作用，期待2019年會有更多的探測結(jié)果。

4 新強子態(tài)

新強子態(tài)尋找和性質(zhì)研究是進一步理解強作用力機制的重要手段，是當(dāng)前粒子物理研究的重要熱點課題。在含有奇異夸克的輕重子譜學(xué)方面，2018年實驗上取得了很多進展。如含有 2個奇異夸克和 1個上（下）夸克的0(-)重子譜學(xué)中，Belle實驗組在分析過程中，在其中-π+的質(zhì)量譜上發(fā)現(xiàn)了一個新的0激發(fā)態(tài)(1620)0（夸克成分ssu），質(zhì)量約為1610 MeV，寬度約為60 MeV；在含有3個奇異夸克的Ω-重子譜學(xué)中，Belle實驗組通過研究0K-和-Ks末態(tài)的不變質(zhì)量能譜上同時發(fā)現(xiàn)了一個新的窄Ω*-激發(fā)態(tài)（夸克成分 sss），質(zhì)量約為2012.4 MeV，寬度只有6.4 MeV左右，可能是理論上預(yù)言的一個3-/2的Ω*-激發(fā)態(tài)。

在含有單個粲夸克的重子（包括Λc、Σc、c和Ωc）譜學(xué)方面，2017年LHCb實驗組在＋cK-末態(tài)上發(fā)現(xiàn)了5個新的窄寬度激發(fā)態(tài)（夸克成分css）。至此在單粲重子譜學(xué)中，實驗上共發(fā)現(xiàn)了6個Λc激發(fā)態(tài)，2個Σc激發(fā)態(tài)，9個c激發(fā)態(tài)，6個Ωc激發(fā)態(tài)。在2018年Belle實驗組同樣在＋cK-末態(tài)上確認(rèn)了LHCb發(fā)現(xiàn)的新激發(fā)態(tài)中的4個。此外，Belle實驗組分別在B-→過程的和的不變質(zhì)量譜上報道了的c激發(fā)態(tài)(2930)發(fā)現(xiàn)和＋c(2930)的證據(jù)，這些結(jié)果均與之前 BaBar實驗上報道的(2930)結(jié)果相符。

含有 4夸克或 5夸克的奇特粒子研究仍然是當(dāng)前強子譜研究的熱點，特別是含粲夸克的XYZ系列粒子候選態(tài)。由于存在大量的實驗結(jié)果，在理論上無法完全理解，成為了科學(xué)家非常關(guān)心的課題。自從X(3872)在2003年日本Belle實驗上發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過了很多的細(xì)致研究，但目前仍然無法明確其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否為普通的粲偶素、分子態(tài)或者是四夸克態(tài)等。BESIII實驗在 2018年發(fā)現(xiàn)了一個同位旋破壞強衰變過程 X(3872)→π0χc1，其衰變率與X(3872)→π＋π-J/ψ相當(dāng)。該結(jié)果對進一步理解 X(3872)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)非常重要。在Y粒子方面，Belle和BaBar實驗上 π+π-J/ψ末態(tài)中發(fā)現(xiàn)了一個在4.26 GeV附近的增強結(jié)構(gòu)，稱為 Y(4260)。但后來 BESIII實驗在正負(fù)電子湮滅的精細(xì)掃描數(shù)據(jù)中，通過分析一系列含粲偶素的強子末態(tài)發(fā)現(xiàn)4.26 GeV附近的共振結(jié)構(gòu)并非是一個簡單的共振態(tài) Y(4260)線型，很可能是由 2個相近質(zhì)量的Y(4220)和 Y(4320)共振態(tài)線形疊加形成的。在 2018年BESIII實驗e+e-→πD*末態(tài)上發(fā)現(xiàn)的共振結(jié)構(gòu)，是首次觀測到 Y(4220)衰變到粲介子對的反應(yīng)，有助于進一步澄清該共振態(tài)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。在帶電 Z粒子方面，LHCb 實驗在 B0→ηcK＋π-衰變中，通過詳細(xì)的中間共振態(tài)振幅分析，發(fā)現(xiàn)了一個在ηcπ-質(zhì)量譜上的增強結(jié)構(gòu)Zc(4100)的證據(jù)，顯著性為 3.4 σ。經(jīng)測量給出其質(zhì)量約為4096 MeV，寬度約152 MeV，量子數(shù)JP可能為 0+或1-。該結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部含有 1對正反粲夸克對，并帶負(fù)電荷，因此是一個含有 4夸克的奇特粒子候選態(tài)。Zc(4100)與 Belle實驗曾報道的 Zc(4050)-→χc1π-的質(zhì)量和寬度接近。若它們是同一共振態(tài)，則 Zc(4100)傾向于 JP為 0+的態(tài)，并且 Zc(4100)衰變到 ηcπ-的概率大約是衰變到χc1π-的1.5倍，符合預(yù)期。

5 未來對撞機研究

2012年，在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，對其性質(zhì)的精確測量隨即成為粒子物理實驗的核心課題。相比于發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的 LHC，正負(fù)電子對撞機具有初態(tài)準(zhǔn)確可控、本底噪聲低等優(yōu)點，有望能以遠高于LHC的精度對希格斯粒子性質(zhì)進行測量。因此，高能物理學(xué)界倡議了多種可作為希格斯工廠的正負(fù)電子對撞機，其中包括歐洲核子中心提議的未來環(huán)形對撞機（FCC）、緊致直線對撞機（CLIC）、可能被日本政府支持的國際直線對撞機（ILC）、由中國高能物理學(xué)界提議的環(huán)形正負(fù)電子對撞機（CEPC）。目前，這些項目正積極推動相關(guān)設(shè)計和技術(shù)預(yù)研工作。日本政府就能否批準(zhǔn)國際直線對撞機的建設(shè)仍在進行磋商。2018年11月，CEPC研究工作組在北京正式發(fā)布 CEPC的兩卷《概念設(shè)計報告》（CDR），意味著CEPC項目的初步設(shè)計藍圖完成。緊隨其后，F(xiàn)CC合作組也發(fā)布了其《概念設(shè)計報告》。

CEPC的概念設(shè)計報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》兩部分?！都铀倨骶怼方榻B了加速器整體設(shè)計，包括直線加速器、阻尼環(huán)、增強器和對撞機。另外，還介紹了低溫系統(tǒng)、土木工程、輻射防護等一系列重要支撐設(shè)施，并討論了 CEPC升級的可能選項?！短綔y器和物理卷》展示了 CEPC的物理潛力，介紹了探測器的設(shè)計概念及其關(guān)鍵技術(shù)選項，重點對 CEPC的探測器和物理研究做了深入評估，并討論了未來探測器研發(fā)和物理研究的初步計劃。根據(jù)該設(shè)計報告，CEPC的主環(huán)周長達100 km，是目前世界上最大的高能物理對撞機LHC的4倍。CEPC上將至少會有2臺探測器同時進行科學(xué)實驗。在目前的概念設(shè)計報告中，CEPC將在10年的運行時間中產(chǎn)生100萬個希格斯粒子，1億個W玻色子，以及近1000億個Z玻色子。利用這些數(shù)據(jù)，人類有望以超越LHC 1個數(shù)量級的精度對希格斯粒子的屬性進行精確測量，并將目前的電弱物理測量精度提高超過1個數(shù)量級。同時，CEPC在量子色動力學(xué)（QCD）、味物理等關(guān)鍵測量上也將發(fā)揮巨大的作用。CEPC未來可能發(fā)展方向之一是升級為一個超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機，質(zhì)心能量將達到100 TeV，可以在大范圍內(nèi)直接尋找新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。

CEPC項目團隊將以《概念設(shè)計報告》為基礎(chǔ)完成關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，計劃于2018—2022年建成一系列關(guān)鍵部件的原型機用來驗證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。

CEPC《概念設(shè)計報告》的完成受到了廣泛的贊譽和支持。國際未來加速器委員會和亞洲未來加速器委員會主席、墨爾本大學(xué)教授Geoffrey Taylor評價：“這是CEPC這樣一個用于基礎(chǔ)研究的大型科學(xué)裝置的重要發(fā)展里程碑”“毫無疑問，國際高能物理界非常希望參加CEPC的研發(fā)和將來的科學(xué)實驗，這將會大大促進對物質(zhì)最基本組成單元的進一步理解?！?017年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、加州理工大學(xué)教授Barry Barish（領(lǐng)導(dǎo)LIGO實驗發(fā)現(xiàn)引力波）祝賀說：“加速器的發(fā)展歷史是實現(xiàn)越來越高的能量，并在過去幾十年中一直都是眾多粒子物理重大發(fā)現(xiàn)所依賴的核心工具。而CEPC將延續(xù)這一偉大傳統(tǒng)！我衷心祝賀CEPC《概念設(shè)計報告》團隊做了如此出色的工作?！?/p>

6 結(jié)論

2018年，ATLAS和CMS實驗驗證了 Higgs粒子的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言高度吻合，同時在現(xiàn)有掃描范圍之內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)新物理的信號。利用已有的或不斷積累的對撞機數(shù)據(jù)（包括LHCb，Belle，BESIII等實驗），粒子物理學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新的強子、新的結(jié)構(gòu)，并對其性質(zhì)進行了測量。

暗物質(zhì)探測實驗掃描了更大的參數(shù)空間，目前尚未找到暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。中微子實驗，特別是耀變體高能中微子信號，是 2018年最讓人興奮的進展之一。技術(shù)的積累和觀測手段的不斷進步推動了多信使天文學(xué)時代的來臨。通過光學(xué)和電磁信號、中微子、引力波信號的聯(lián)合觀測，天空這一“窮人的高能物理實驗室”將不斷帶給人們新的驚喜。

與此同時，粒子物理學(xué)家正積極設(shè)計下一代的實驗設(shè)備，并積極爭取政府的支持。歸根結(jié)底，物理學(xué)是一門實驗學(xué)科，新的設(shè)備和新的觀測是粒子物理的知識之源。

致謝：曹俊研究員、何苗研究員的支持和幫助。

（摘自《科技導(dǎo)報》2019年第1期）