對物質結構的探索

物理學是一門非常古老的學科。幾千年前，哲學家們就在思考世界到底是由什么構成的。古希臘人從空間的角度來思考這一問題，繼而想到了物質的結構。芝諾認為空間是無限可分的;留基伯則認為空間不是無限可分的，而是由無數“不可分”的微粒組成。德謨克利特認為世界是由空虛的空間和物質組成的，而后者是由無數不能再分的、看不見的微小原子組成的。亞里士多德進一步提出物質是由“水、氣、火、土”四種元素組成，天體是由第五種元素“以太”構成。同一時期，中國也有類似的思想產生。老子曰：“道生一，一生二，二生三，三生萬物?！弊笄鹈髟唬骸耙酝僚c金、木、水、火雜以生百物”。莊子則指出“一尺之錘，日取其半，萬世不竭”。“金、木、水、火、土”和“水、氣、火、土”看起來頗為相似，而莊子的想法則和芝諾的想法不謀而合。兩種文明相隔了上萬里，但是幾乎同時就同樣的問題給出了相似的結論，人類文明的發(fā)展實在是件很有意思的事情。

真正現代科學意義上的原子論是從道爾頓開始的。1803年，道爾頓提出物質世界的最小單位是原子，原子是單一的、獨立的且不可被分割的，在化學變化中保持著穩(wěn)定的狀態(tài)，同類原子的屬性也是一致的。100年后的1905年，盧瑟福發(fā)現原子由原子核和核外電子組成，隨后的實驗發(fā)現原子核是由中子和質子構成。又過了60年，1964年美國物理學家默里·蓋爾曼和G·茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元夸克構成。人類對物質結構認識的不斷深入，帶動發(fā)展出了化學、凝聚態(tài)物理、原子物理，原子核物理，直到粒子物理。同時，隨著這種認識的深入而開發(fā)出的各種技術，極大地改變了人類的生活乃至世界的面貌。

粒子物理及其研究的基本方法

20世紀50年代，粒子物理從原子核物理中獨立出來，成為一門新學科，目的是研究物質最基本的結構。時至今日，粒子物理取得了世人矚目的成就，獲得了約1/3的諾貝爾物理學獎。

人們最早用肉眼去觀察物質的結構，就是利用了光與靶物質“碰撞”。肉眼的能力不能滿足要求了，人們就發(fā)明了光學顯微鏡，也是利用光與靶物質“碰撞”。為了看清楚更小的結構，人們又發(fā)明了電子顯微鏡，利用電子與靶物質“碰撞”。

為了探索更小的結構，我們必須借助粒子加速器，比如通過加速電子運動使其達到高能狀態(tài)，利用電子與靶物質“碰撞”來探索更小的結構。為了記錄加速器所產生的關鍵信息，人們發(fā)明了粒子探測器或者磁譜儀來代替眼睛。磁譜儀是一整套的復雜系統(tǒng)，可以探測粒子的動量、能量以及質量，重建粒子的整個運動過程。加速器和探測器是粒子物理研究的兩大支柱。雖然有些粒子物理實驗是不需要加速器的，比如宇宙線實驗（地面、高空、太空）、部分中微子實驗等等，但是所有的實驗都需要探測器。

粒子物理學和宇宙學有著非常密切的關系。在目前的大爆炸宇宙學模型中，隨著時間的回溯，宇宙的尺度越來越小，而基本粒子的運動過程就顯得越來越重要。事實上，宇宙大爆炸后的整個物理過程和粒子物理有著極其密切的關系，基本粒子的性質決定了宇宙的面貌。同時，宇宙學的觀測手段和粒子物理實驗手段也有很多類似的地方。

粒子加速器對其他學科的研究起到了非常重要的作用。比如，利用加速器產生的同步輻射或者中子散射，我們可以探索蛋白質的微觀結構，研究新的藥物和材料，這為生物學研究、材料科學、凝聚態(tài)物理等提供了非常重要的觀測手段。

粒子物理的標準模型和希格斯粒子

粒子物理的標準模型揭示了物質是由三代輕子和夸克構成的，即6種輕子和6種夸克。同時，它描述了基本粒子之間的相互作用，即強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。標準模型顯示，物質粒子（輕子和夸克）之間通過交換規(guī)范玻色子（膠子、光子、W及Z玻色子）來進行相互作用，使得整個物質世界構成一個有機的整體。同時，標準模型還構造了一個希格斯玻色子（Higgs boson）場，以賦予標準模型粒子質量。

粒子物理的標準模型是極為成功的。它以令人驚嘆的精確度準確預言和詮釋了幾乎所有加速器實驗上能觀測到的現象。2012年，在歐洲核子中心的大型強子對撞機上，科學家們發(fā)現了希格斯（Higgs）粒子，它的性質和標準模型的預言高度吻合。至此，標準模型預言的粒子全部被找到，它的粒子譜完備了。

希格斯（Higgs）粒子的預言和發(fā)現無疑是標準模型的巨大成功，但是標準模型很難被認為是一個終極理論。首先，標準模型中有大量自由參數。其次，其內部有一系列的理論疑難，比如質量等級疑難：標準模型預言所有費米子的質量都是通過同樣的機制產生，而費米子的質量差可高達13個量級。這就好比姐妹兩人的體重差距懸殊，很難相信為同一父母所生。同時，標準模型中還有真空穩(wěn)定性問題、自然性問題等等。何況在對撞機實驗之外，尚有大量標準模型無法解釋的現象，比如宇宙中的暗物質、暗能量、暴漲、中微子震蕩等現象。凡此種種，人們普遍相信標準模型不是粒子物理的終極理論，而只是一個更加基礎的低能有效的近似理論。那么，發(fā)掘出標準模型背后的物理原理自然成為粒子物理未來發(fā)展的核心。

目前，在粒子物理實驗觀測中已經明確觀察到中微子振蕩現象，說明自然界中的中微子是有質量的。這和標準模型的預言是不一致的。換言之，人們已經明確觀測到了超出標準模型的新物理。

?希格斯粒子及其精確測量

Higgs場在標準模型中處于核心地位。質量是物質的基本屬性，而作為質量之源，Higgs場決定了粒子質量，進而在很大程度上決定了宇宙的面貌。有大量理論猜測Higgs場同暗物質、暴漲等行為相關。簡言之，Higgs場同標準模型中幾乎所有的理論疑難直接相關。同時，它對宇宙的面貌乃至宇宙的宿命有著決定性的影響。因此，Higgs粒子是人類通向標準模型背后的、更加深刻的物理學原理的必由之路。在Higgs粒子被發(fā)現后，對其性質的精確測量立刻被提上日程。

對粒子性質的精確測量需要大統(tǒng)計量的樣本， 一般被稱為“粒子工廠”。歷史上，我們曾經有過Z粒子工廠（位于歐洲核子中心LEP，也是LHC實驗的前身），B介子工廠（位于日本筑波市的SuperKEKB）等等。為了實現Higgs粒子的精確測量，我們自然需要一個Higgs粒子工廠。

歐洲大型強子對撞機（簡稱LHC）本身是強有力的Higgs粒子工廠。時至今日，在LHC上已產生了數以千萬計的Higgs粒子，LHC不僅確認了Higgs粒子的存在，還對它的物理性質進行了測量。數據分析表明，在LHC上發(fā)現的Higgs粒子的性質和標準模型的預言高度吻合。另外，LHC實驗上有巨大的物理本底，平均每100億次的質子對撞事例中才能產生一個Higgs粒子，這使得在LHC上對Higgs粒子進行精確測量非常困難。換言之，LHC上對Higgs粒子性質測量的精度受到很大限制?，F有研究表明，在LHC上，Higgs粒子的性質測量的極限精度大約在10%量級。

粒子物理標準模型理論框架內的基本粒子

正負電子對撞機是高精度Higgs粒子工廠的有力選型。和強子不同，正負電子不參與強相互作用，因此正負電子對撞環(huán)境下的物理本底要低得多。在合適的質心能量下，平均每1000個正負電子對撞事例中就能產生一個Higgs粒子。幾乎所有的Higgs粒子事例都可以被記錄分析，同時正負電子對撞機上事例的初態(tài)信息精確可知，為Higgs粒子性質的全面、精確測量創(chuàng)造了極為有利的條件。

粒子物理研究推動高技術的發(fā)展

為了達到更高的對撞能量、更亮的積分亮度、處理更多的實驗數據，粒子物理研究一直就是新思想、新技術的源頭，同時也是人類協(xié)作的巔峰?；仡橦iggs粒子的發(fā)現，這項工作集30多年全球上萬名科學家與工程師的共同努力，具有極為豐富的科學、工程、管理、國際合作、文化等內涵。值得一提的是，在此過程中發(fā)明了World-Wide-Web和網頁瀏覽器。由于有大量的科學家在做這個工作，那么相互之間信息和數據的及時傳遞就成了一個大問題。為此，歐洲核子中心的計算機專家Tim Berners-Lee發(fā)明了www網頁技術。他堅持不申請專利，使得這項技術很快擴展到全世界，最終成就了今天的互聯(lián)網，產生的經濟效益無論怎么估算都不過分。

粒子加速器本身是一種應用廣泛的觀測手段。目前，全世界大約有幾十臺基于加速器的同步輻射裝置，4臺散裂中子源。中國有3臺同步輻射裝置和1臺散裂中子源。這些裝置依賴于粒子加速器技術，在凝聚態(tài)物理、化學、材料、生物、地質、環(huán)境等各領域都發(fā)揮了關鍵作用。

粒子物理的研究方法在生活中也獲得廣泛的應用，全世界大概有3.5 萬臺加速器正在運行，除了同步輻射裝置和散裂中子源這種大型設備以外，大約一半以上的加速器在醫(yī)院使用（如配合PET檢查等）。另外，日常生活中，輻照加速器的應用更為廣泛，例如食品滅菌、殺蟲、保鮮，醫(yī)療材料的消毒，機場、海關等場所的安全檢查等。探測器在醫(yī)療檢測、石油測井、空間科學等領域也有非常多的應用。過去70年，粒子物理的研究對我們的日常生活發(fā)揮了諸多積極的作用，也推動了很多技術的發(fā)展。

2017年11月，CEPC產業(yè)促進會成立

事實上，基礎研究和先進技術一直是相輔相成的。在2017年11月舉行的國際環(huán)形高能正負電子對撞機會議上，來自全國各地的40多家高科技企業(yè)組成了CEPC產業(yè)促進會。我國工業(yè)界積極參加CEPC相關研究，同時也期待著CEPC研究能夠催生更多的新技術，比如大型超高真空、大型精密機械、高精度磁鐵/超導磁鐵、自動控制、抗輻照半導體芯片、超導高頻加速腔、微波功率源、液氦低溫系統(tǒng)、大型制冷機及低溫管道、大數據、計算機與網絡等。

粒子物理的未來

在標準模型的粒子譜“完備”以后，粒子物理學該向何處去？這是物理學家都在思考的問題。

標準模型粒子譜的完備，并不意味著人們對標準模型已經完全理解。人們對標準模型的理解是處于“知其然而不知其所以然”的狀態(tài)。而達到“所以然”則意味著人類認識的巨大飛躍，是粒子物理未來研究，乃至整個物理學研究的戰(zhàn)略核心。具體來說，未來的發(fā)展有兩個方向：一是尋找更深層次的粒子。與過去傳統(tǒng)的想法一樣，順著原子—原子核—夸克一路尋找下去，看看是否還有比夸克更深一級的結構。通過理論猜想構建復合模型，預言結構性質，再想辦法通過實驗去驗證修正。另一個方向是相互作用的更大統(tǒng)一。就像麥克斯韋方程將電和磁統(tǒng)一起來，弱電統(tǒng)一理論將弱和電磁相互作用通過一個方程式寫出來。但是目前還沒有一個方程能把弱電統(tǒng)一理論與強相互作用統(tǒng)一起來，更無法包含引力理論，即愛因斯坦的相對論。理論上超弦理論可以非常漂亮地把4種相互作用統(tǒng)一起來，但我們不知道寫出來的方程是否反應了自然界的實際情況。就像當年的Higgs粒子一樣，當時沒人知道對不對，直到通過實驗找到它。因此未來不管選擇哪個方向，都需要實驗來驗證。物理學是門實驗科學，最終要用實驗數據驗證。

目前世界上有多個運行中的粒子物理學實驗，利用現有以及未來實驗中采集到的數據，我們有望理解粒子物理標準模型中存在的一系列根本性問題，從而大大增強人們對物質結構、基礎物理規(guī)律的理解，乃至最終突破對標準模型的認識。這些問題包括Higgs粒子的性質、CP破缺的大小、新物理模型的搜尋和驗證（復合模型，額外維、超對稱等）、中微子的性質、強子物理稀有衰變和精確測量等。同時，粒子物理實驗要和宇宙學聯(lián)系起來，深入理解反物質、暗物質、暗能量、暴漲以及早期宇宙演化和宇宙大尺度結構問題。對這一切關鍵問題的研究，不僅是物理學研究的未來，也是人類突破標準模型的關鍵，其間蘊含著無限可能

（節(jié)選自《自然》雜志 第39卷第6期）