探究物质之本

对物质结构的探索

物理学是一门非常古老的学科。几千年前，哲学家们就在思考世界到底是由什么构成的。古希腊人从空间的角度来思考这一问题，继而想到了物质的结构。芝诺认为空间是无限可分的;留基伯则认为空间不是无限可分的，而是由无数“不可分”的微粒组成。德谟克利特认为世界是由空虚的空间和物质组成的，而后者是由无数不能再分的、看不见的微小原子组成的。亚里士多德进一步提出物质是由“水、气、火、土”四种元素组成，天体是由第五种元素“以太”构成。同一时期，中国也有类似的思想产生。老子曰：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”左丘明曰：“以土与金、木、水、火雜以生百物”。庄子则指出“一尺之锤，日取其半，万世不竭”。“金、木、水、火、土”和“水、气、火、土”看起来颇为相似，而庄子的想法则和芝诺的想法不谋而合。两种文明相隔了上万里，但是几乎同时就同样的问题给出了相似的结论，人类文明的发展实在是件很有意思的事情。

真正现代科学意义上的原子论是从道尔顿开始的。1803年，道尔顿提出物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的且不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。100年后的1905年，卢瑟福发现原子由原子核和核外电子组成，随后的实验发现原子核是由中子和质子构成。又过了60年，1964年美国物理学家默里·盖尔曼和G·茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克构成。人类对物质结构认识的不断深入，带动发展出了化学、凝聚态物理、原子物理，原子核物理，直到粒子物理。同时，随着这种认识的深入而开发出的各种技术，极大地改变了人类的生活乃至世界的面貌。

粒子物理及其研究的基本方法

20世纪50年代，粒子物理从原子核物理中独立出来，成为一门新学科，目的是研究物质最基本的结构。时至今日，粒子物理取得了世人瞩目的成就，获得了约1/3的诺贝尔物理学奖。

人们最早用肉眼去观察物质的结构，就是利用了光与靶物质“碰撞”。肉眼的能力不能满足要求了，人们就发明了光学显微镜，也是利用光与靶物质“碰撞”。为了看清楚更小的结构，人们又发明了电子显微镜，利用电子与靶物质“碰撞”。

为了探索更小的结构，我们必须借助粒子加速器，比如通过加速电子运动使其达到高能状态，利用电子与靶物质“碰撞”来探索更小的结构。为了记录加速器所产生的关键信息，人们发明了粒子探测器或者磁谱仪来代替眼睛。磁谱仪是一整套的复杂系统，可以探测粒子的动量、能量以及质量，重建粒子的整个运动过程。加速器和探测器是粒子物理研究的两大支柱。虽然有些粒子物理实验是不需要加速器的，比如宇宙线实验（地面、高空、太空）、部分中微子实验等等，但是所有的实验都需要探测器。

粒子物理学和宇宙学有着非常密切的关系。在目前的大爆炸宇宙学模型中，随着时间的回溯，宇宙的尺度越来越小，而基本粒子的运动过程就显得越来越重要。事实上，宇宙大爆炸后的整个物理过程和粒子物理有着极其密切的关系，基本粒子的性质决定了宇宙的面貌。同时，宇宙学的观测手段和粒子物理实验手段也有很多类似的地方。

粒子加速器对其他学科的研究起到了非常重要的作用。比如，利用加速器产生的同步辐射或者中子散射，我们可以探索蛋白质的微观结构，研究新的药物和材料，这为生物学研究、材料科学、凝聚态物理等提供了非常重要的观测手段。

粒子物理的标准模型和希格斯粒子

粒子物理的标准模型揭示了物质是由三代轻子和夸克构成的，即6种轻子和6种夸克。同时，它描述了基本粒子之间的相互作用，即强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。标准模型显示，物质粒子（轻子和夸克）之间通过交换规范玻色子（胶子、光子、W及Z玻色子）来进行相互作用，使得整个物质世界构成一个有机的整体。同时，标准模型还构造了一个希格斯玻色子（Higgs boson）场，以赋予标准模型粒子质量。

粒子物理的标准模型是极为成功的。它以令人惊叹的精确度准确预言和诠释了几乎所有加速器实验上能观测到的现象。2012年，在欧洲核子中心的大型强子对撞机上，科学家们发现了希格斯（Higgs）粒子，它的性质和标准模型的预言高度吻合。至此，标准模型预言的粒子全部被找到，它的粒子谱完备了。

希格斯（Higgs）粒子的预言和发现无疑是标准模型的巨大成功，但是标准模型很难被认为是一个终极理论。首先，标准模型中有大量自由参数。其次，其内部有一系列的理论疑难，比如质量等级疑难：标准模型预言所有费米子的质量都是通过同样的机制产生，而费米子的质量差可高达13个量级。这就好比姐妹两人的体重差距悬殊，很难相信为同一父母所生。同时，标准模型中还有真空稳定性问题、自然性问题等等。何况在对撞机实验之外，尚有大量标准模型无法解释的现象，比如宇宙中的暗物质、暗能量、暴涨、中微子震荡等现象。凡此种种，人们普遍相信标准模型不是粒子物理的终极理论，而只是一个更加基础的低能有效的近似理论。那么，发掘出标准模型背后的物理原理自然成为粒子物理未来发展的核心。

目前，在粒子物理实验观测中已经明确观察到中微子振荡现象，说明自然界中的中微子是有质量的。这和标准模型的预言是不一致的。换言之，人们已经明确观测到了超出标准模型的新物理。

 希格斯粒子及其精确测量

Higgs场在标准模型中处于核心地位。质量是物质的基本属性，而作为质量之源，Higgs场决定了粒子质量，进而在很大程度上决定了宇宙的面貌。有大量理论猜测Higgs场同暗物质、暴涨等行为相关。简言之，Higgs场同标准模型中几乎所有的理论疑难直接相关。同时，它对宇宙的面貌乃至宇宙的宿命有着决定性的影响。因此，Higgs粒子是人类通向标准模型背后的、更加深刻的物理学原理的必由之路。在Higgs粒子被发现后，对其性质的精确测量立刻被提上日程。

对粒子性质的精确测量需要大统计量的样本， 一般被称为“粒子工厂”。历史上，我们曾经有过Z粒子工厂（位于欧洲核子中心LEP，也是LHC实验的前身），B介子工厂（位于日本筑波市的SuperKEKB）等等。为了实现Higgs粒子的精确测量，我们自然需要一个Higgs粒子工厂。

欧洲大型强子对撞机（简称LHC）本身是强有力的Higgs粒子工厂。时至今日，在LHC上已产生了数以千万计的Higgs粒子，LHC不仅确认了Higgs粒子的存在，还对它的物理性质进行了测量。数据分析表明，在LHC上发现的Higgs粒子的性质和标准模型的预言高度吻合。另外，LHC实验上有巨大的物理本底，平均每100亿次的质子对撞事例中才能产生一个Higgs粒子，这使得在LHC上对Higgs粒子进行精确测量非常困难。换言之，LHC上对Higgs粒子性质测量的精度受到很大限制。现有研究表明，在LHC上，Higgs粒子的性质测量的极限精度大约在10%量级。

粒子物理标准模型理论框架内的基本粒子

正负电子对撞机是高精度Higgs粒子工厂的有力选型。和强子不同，正负电子不参与强相互作用，因此正负电子对撞环境下的物理本底要低得多。在合适的质心能量下，平均每1000个正负电子对撞事例中就能产生一个Higgs粒子。几乎所有的Higgs粒子事例都可以被记录分析，同时正负电子对撞机上事例的初态信息精确可知，为Higgs粒子性质的全面、精确测量创造了极为有利的条件。

粒子物理研究推动高技术的发展

为了达到更高的对撞能量、更亮的积分亮度、处理更多的实验数据，粒子物理研究一直就是新思想、新技术的源头，同时也是人类协作的巅峰。回顾Higgs粒子的发现，这项工作集30多年全球上万名科学家与工程师的共同努力，具有极为丰富的科学、工程、管理、国际合作、文化等内涵。值得一提的是，在此过程中发明了World-Wide-Web和网页浏览器。由于有大量的科学家在做这个工作，那么相互之间信息和数据的及时传递就成了一个大问题。为此，欧洲核子中心的计算机专家Tim Berners-Lee发明了www网页技术。他坚持不申请专利，使得这项技术很快扩展到全世界，最终成就了今天的互联网，产生的经济效益无论怎么估算都不过分。

粒子加速器本身是一种应用广泛的观测手段。目前，全世界大约有几十台基于加速器的同步辐射装置，4台散裂中子源。中国有3台同步辐射装置和1台散裂中子源。这些装置依赖于粒子加速器技术，在凝聚态物理、化学、材料、生物、地质、环境等各领域都发挥了关键作用。

粒子物理的研究方法在生活中也获得广泛的应用，全世界大概有3.5 万台加速器正在运行，除了同步辐射装置和散裂中子源这种大型设备以外，大约一半以上的加速器在医院使用（如配合PET检查等）。另外，日常生活中，辐照加速器的应用更为广泛，例如食品灭菌、杀虫、保鲜，医疗材料的消毒，机场、海关等场所的安全检查等。探测器在医疗检测、石油测井、空间科学等领域也有非常多的应用。过去70年，粒子物理的研究对我们的日常生活发挥了诸多积极的作用，也推动了很多技术的发展。

2017年11月，CEPC产业促进会成立

事实上，基础研究和先进技术一直是相辅相成的。在2017年11月举行的国际环形高能正负电子对撞机会议上，来自全国各地的40多家高科技企业组成了CEPC产业促进会。我国工业界积极参加CEPC相关研究，同时也期待着CEPC研究能够催生更多的新技术，比如大型超高真空、大型精密机械、高精度磁铁/超导磁铁、自动控制、抗辐照半导体芯片、超导高频加速腔、微波功率源、液氦低温系统、大型制冷机及低温管道、大数据、计算机与网络等。

粒子物理的未来

在标准模型的粒子谱“完备”以后，粒子物理学该向何处去？这是物理学家都在思考的问题。

标准模型粒子谱的完备，并不意味着人们对标准模型已经完全理解。人们对标准模型的理解是处于“知其然而不知其所以然”的状态。而达到“所以然”则意味着人类认识的巨大飞跃，是粒子物理未来研究，乃至整个物理学研究的战略核心。具体来说，未来的发展有两个方向：一是寻找更深层次的粒子。与过去传统的想法一样，顺着原子—原子核—夸克一路寻找下去，看看是否还有比夸克更深一级的结构。通过理论猜想构建复合模型，预言结构性质，再想办法通过实验去验证修正。另一个方向是相互作用的更大统一。就像麦克斯韦方程将电和磁统一起来，弱电统一理论将弱和电磁相互作用通过一个方程式写出来。但是目前还没有一个方程能把弱电统一理论与强相互作用统一起来，更无法包含引力理论，即爱因斯坦的相对论。理论上超弦理论可以非常漂亮地把4种相互作用统一起来，但我们不知道写出来的方程是否反应了自然界的实际情况。就像當年的Higgs粒子一样，当时没人知道对不对，直到通过实验找到它。因此未来不管选择哪个方向，都需要实验来验证。物理学是门实验科学，最终要用实验数据验证。

目前世界上有多个运行中的粒子物理学实验，利用现有以及未来实验中采集到的数据，我们有望理解粒子物理标准模型中存在的一系列根本性问题，从而大大增强人们对物质结构、基础物理规律的理解，乃至最终突破对标准模型的认识。这些问题包括Higgs粒子的性质、CP破缺的大小、新物理模型的搜寻和验证（复合模型，额外维、超对称等）、中微子的性质、强子物理稀有衰变和精确测量等。同时，粒子物理实验要和宇宙学联系起来，深入理解反物质、暗物质、暗能量、暴涨以及早期宇宙演化和宇宙大尺度结构问题。对这一切关键问题的研究，不仅是物理学研究的未来，也是人类突破标准模型的关键，其间蕴含着无限可能

（节选自《自然》杂志 第39卷第6期）