理解物质的本源，美妙神奇的基本粒子 | 王贻芳——科学讲坛
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粒子物理标准模型
是人类文明发展史上的一个丰碑。
到目前为止，从定量的来说，
大概还没有比它更加成功的理论。
王贻芳 · 中国科学院院士
格致论道第77期 | 2022年2月26日 北京
大家好！非常荣幸、也非常高兴能够来到“格致论道”基础科学专场，向大家介绍粒子物理研究的内容、目标，我国粒子物理发展的现状，以及未来的计划。我还将结合自己的研究经历，和大家聊一聊研究过程中的一些体会。
我们知道，世界万物的构成是一个古老的哲学命题。2000多年前，亚里士多德、左丘明等哲学家都研究过“物质世界如何构成”，最后他们不约而同地得出了一个结论：物质是由一些最基本的单元构成的。亚里士多德说世界万物由水、气、火、土还有以太构成，我们中国人说构成元素是金、木、水、火、土。这些实际上都是哲学思考。
▲ 从哲学思考（左）到元素周期表（中）再到基本粒子（右）
近代科学告诉我们，物质世界确实是由一些最基本的元素构成的。这就是我们大家非常熟悉的元素周期表，有100多种元素。经过200多年的研究，我们又有了更深层次的认识，物质世界其实是由更基本的基本粒子构成。上图右侧就是我们“看到”的一些基本粒子。
看不见、摸不着的基本粒子
中国著名高能物理学家赵忠尧先生在正电子的发现中起过非常重要的作用，左边这张图就是一张正电子的照片。中图的粒子叫反西格玛负超子，是20世纪50年代王淦昌先生领导的合作组在苏联发现的。右边这张是在北京正负电子对撞机上看到的J/ψ粒子，丁肇中先生在70年代发现了它。
左边这张是我们在大亚湾实验中“看到”的中微子。中间是我们发现的最后一个最基本的粒子——希格斯粒子，它是由右图中这个很大的探测仪器看到的。人目力所及的范围实际上非常有限，但我们可以通过仪器拓展感知能力，看到一个更加微观的世界。
经过从50年代到现在大约70多年的努力，我们现在对基本粒子的世界有了非常清楚的认识。如果把它比作“砖块”的话，在60年代的时候，我们就认识到构成整个基本粒子的世界其实非常简单，3个夸克。那么大家自然会问，为什么只有3个？为什么不能4个、不能5个、不能6个？这个问题非常正确。
1974年，丁肇中和B.里克特发现了J/ψ粒子，这就告诉我们存在第4种夸克。在这之后，我们又发现了第5种夸克和第6种夸克，这里面很多人因此获得了诺贝尔奖。
还有一大类叫做轻子的粒子，其中最简单的就是大家都知道的电子。电子是基本粒子家族中第一个被发现的，虽然那时我们并不知道它在整个基本粒子的世界中起着怎样的作用，但现在我们知道它是轻子世界最轻的粒子。
在电子之后，我们发现了相对更重一点的轻子，我们把它叫做μ子。除了质量要更重一点，它的性质跟电子完全一样。20年以后，我们发现还有一类轻子，它跟电子几乎是对应的，但电荷不一样、性质不一样，我们把它叫做电子型中微子。到了1962年，我们发现了第2种中微子，我们将其命名为μ子中微子。我们也自然地猜想到了第3种轻子，还有这第3种相对应的中微子。所以大家看这是一个结构非常简单、有规律的、周期性重复出现的基本粒子结构。
大家看到第1代、第2代、第3代，自然会问有没有第4代。1989年到1990年，在欧洲核子中心大型电子正负电子对撞机和美国SLAC直线对撞机上，我们发现整个粒子物理的世界只有这3代，没有第4代。这件事情很奇怪，但也让基本粒子的世界变得非常简单。也就是说12种基本粒子构成了整个物质世界，它比我们的元素周期表更加清晰、简单。但它的周期性、对称性应该说更加复杂。
除了“砖块”，我们还需要有“水泥”。就像我们盖房子一样，除了有砖之外，我们还得把这些砖黏起来。描述这些“砖块”之间相互作用的，我们叫做相互作用的粒子。相互作用的粒子有几大类，一类是光子，它传递电磁相互作用。大家中学里学过的麦克斯韦方程就描述了电磁相互作用，那么它传递相互作用的粒子就是光子。
另外一类是弱相互作用，经常在原子核的衰变当中看见，传递这种相互作用的粒子叫做W和Z粒子。后来发现，电磁相互作用和弱相互作用可以用同一个方程式描述，我们把它叫做电弱统一理论。与电弱统一理论相关的几位科学家获得了多个诺贝尔奖。还有一类相互作用的粒子叫胶子，描述强相互作用，我们把这个理论本身叫做量子色动力学。
大家可以看到，我们有了“砖块”，又有了“水泥”。有很多非常重要的物理学家在建立这个理论体系的过程中做出了极其卓越的贡献，大约有十几近二十个诺贝尔奖颁发给了他们。
还有最后一个粒子，我们叫它希格斯（Higgs）粒子，它给了所有粒子质量。我们需要这个粒子，因为描述相互作用的规范场理论要求粒子都是没有质量的，事实上这些粒子又是有质量的——我们在实验中发现粒子有质量。因此就需要有一个所谓的希格斯机制，后天地赋予这些规范场粒子和费米子质量，这样整个理论本身就变得非常完备。事实上，我们真的在2012年发现了希格斯粒子。
因此整个标准模型有三大类，一类是所谓的“砖块”——12种费米子；另外一类是传递相互作用的粒子，玻色子；最后一类就是质量起源的粒子，希格斯粒子。这三大类构成了我们整个粒子物理的标准模型。
中国粒子物理的起步
应该说粒子物理标准模型是人类文明发展史上的一个丰碑。到目前为止，定量地来说，大概还没有比它更加成功的理论。所有理论的预言和实验相比较，其差别小于千分之一，个别地方到了万分之一的精度。也就是说，目前我们还没有看到有违反这一理论的任何定量的迹象。
但非常可惜，所有这些重大发现，包括大约二三十个诺贝尔奖都跟中国人没有太大关系。这也是为什么80年代，小平同志决定要建设北京正负电子对撞机。
▲ 北京正负电子对撞机
我们要追赶国际高能物理的发展步伐，希望通过建设这样一个大型装置带动国际合作，推动中国70年代末80年代初的改革开放。另外一个目的是打破国际对中国的各种禁运，对各种设备、技术的封锁。
北京正负电子对撞机1984年开工建设，1988年完成对撞；在2004年做了一次重大改造，2009年完成。北京正负电子对撞机建设完成之后，1988年小平同志亲临高能所，对我们发表了一个非常重要的讲话：中国必须在世界高科技领域占有一席之地。
应该说，经过30多年的努力，我们确实实现了这样的目标。在粲物理领域，中国在国际上有非常好的领先地位，比如我们发现了一种4夸克态的粒子，它在2013年被列为国际物理学11项重要成果之首。
中微子领域的突破与新使命
最近这些年，我们在中微子研究领域也做出了一些重要的成绩。刚才介绍了12种最基本粒子，其中有3种中微子，应该说在整个构成物质世界的“砖块”中起了非常重要的作用。中微子有一个非常特殊的性质，就是在飞行当中，一种中微子可以变成另外一种中微子：比如电子中微子产生以后，在飞行的过程当中可以变成μ子中微子，然后再变回来。这种所谓的“中微子振荡”，实际上是中微子量子性质的宏观体现。
这样的宏观体现给了我们一个机会可以测量中微子的质量。大家可以从上面的公式中看到，中微子的振荡和质量的平方差是相关联的。如果质量平方差为0或者中微子质量为0，这个振荡是不会存在的。
所以发现中微子有振荡，实际上告诉我们中微子有质量。在宇宙中，每立方厘米有300个中微子，哪怕中微子只有非常小的一点点质量，它对宇宙的演化和构成都起了非常重要的作用，如现在看到的宇宙大尺度结构、星系、太阳、地球等。换句话说，如果中微子质量真的绝对为0，宇宙当中的星系是不会存在的，地球和太阳大概也不会存在，我们在座的各位自然也就不存在了。我们今天能够坐在这里，与中微子那么一点点质量是密切相关的。
中微子有质量，它就会发生振荡。在1998年和2002年，日本和加拿大的两个实验分别发现了太阳中微子振荡和大气中微子振荡，因此获得了2015年的诺贝尔奖。
在发现大气中微子和太阳中微子振荡之后，中国的科学家就在推动看能不能用θ13来描述中微子的另外一个振荡模式，看能不能把它测出来，当时我们不知道这个参数。
▲ 大亚湾中微子实验
那么通过参数的测量，我们可以把中微子振荡的基本的规律、完整的图像描述出来，同时这个参数也是刚才说的标准模型里面28个最基本的参数之一，是一个非常重要的物理学的基本参数。它对我们未来理解宇宙当中物质、反物质不对称性有非常重要的作用。在2012年，我们的大亚湾中微子实验测出了θ13这个参数，Sin²2θ13等于0.092，它为0的几率是千万分之一。
▲ 江门中微子实验的选址
在大亚湾中微子实验的建设过程中，我们就在考虑，大亚湾之后我们中国的中微子物理应该往哪个方向发展，因此我们提出了江门中微子实验的方案。非常幸运，我们在台山、阳江两个核电站等腰三角形的中线上找到了一座小山，在这个小山下面就可以建设江门中微子实验，它与反应堆的距离差不多是58公里。
通过建设这样一个实验，我们可以测量中微子的质量顺序，可以精确测量中微子的混合参数、把精度提高10倍左右，可以研究超新星、地球及太阳中微子，寻找惰性中微子，质子衰变等等，可以做很多实验，它的科学寿命大约有30年左右。
同时我们也计划，在2030年左右对探测器进行升级，以此测量中微子的绝对质量。到目前为止，我们只知道中微子有质量，知道中微子质量差是多少，但是我们不知道中微子绝对质量到底是多少。而这个绝对质量的大小对宇宙的演化具有非常重要的意义。
到目前为止，距离我们估计的、大概能够测到绝对质量的位置还差两三个量级。我们希望在未来10年到20年左右的时间，把这两三个量级精度的空档填上，能够真的测到中微子的绝对质量。
大家可以看到，这是一个巨大的探测器，它在水池下面，直径差不多有40多米。
给大家看两张照片，左边是国产20英寸的光电倍增管，右边是我们正在进行的安装工作。这个项目在2008年开始策划，现在正在安装，我们希望2023年年底可以全部安装完成，开始运行。
这是计算机模拟的一个中微子事例，我们可以通过光电倍增管看到。这一个个点、一个个球就是光电倍增管，它会看到这里面发生的中微子相互作用的事例。通过重建，我们可以把中微子的能谱测出来，接着将中微子质量顺序测出来。
希格斯粒子之谜：粒子物理的未来
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粒子物理未来最重要的发展方向其实在希格斯粒子。刚才提到，希格斯粒子是我们最后发现的基本粒子，虽然它被发现了，我们也测出了质量，但是还有一些基本的问题等待回答。
比如我们无法确定希格斯粒子到底真的是基本粒子，还是一个复合型的、由两个更基本的粒子构成的粒子。希格斯粒子在标准模型中赋予了所有其他粒子质量，但是它自身的质量是哪儿来的？理论本身无法给出解释。而且希格斯粒子导致真空不稳定，这也说明我们的标准模型是有缺陷的，需要解决自洽性。除此之外，还包括希格斯粒子的质量值极不自然、它与暗物质粒子的耦合等问题。
▲ 环形正负电子对撞机想象图
这些问题告诉我们，寻找超出标准模型的新物理的最佳窗口是希格斯粒子，这也是国际共识。目前国际上有4项方案，希望建设一个大型的希格斯粒子工厂，大量地产生希格斯粒子，研究它的性质。我们中国也提出了这样一个方案，叫做环形正负电子对撞机（CEPC），它是我们中国粒子物理实现国际领先的最佳、也是唯一窗口。
我们从2012年开始推动这项工作，2013年项目正式启动，2018年完成项目的初步概念设计报告，这是一些照片。下面是我们完成的一些设备的关键预研成果。它们都是将来加速器、探测器所要用的核心关键设备。
右：硅像素二维阵列探测器X射线成像图
CEPC项目会对技术发展起到一个巨大的推动作用，使国内已经有的一些技术，包括精密机械、超高真空、高精度磁铁、高功率微波等更上一层楼，达到国际最先进的水平。此外，超导高频腔、微波功率源等技术过去都依赖进口，我们希望通过这个项目能够实现国产化。还有一些全世界都没有的技术，我们希望获得关键性、革命性的突破，包括将高温超导材料用到大型加速器上，新型加速原理的实用化，把等离子加速用到现在使用的这种加速器上。
▲ 左：650MHz超导高频腔
按照我们的最终目标，设备国产化率应该要超过90%；同时我们希望不仅仅是国产化的问题，我们需要国际领先，才能够反制“卡脖子”，使我们的企业能够真正占领国际市场，引领行业的发展。所以这样一个项目具有辐射影响力，对高端需求牵引、技术领先、研发能力的提高、研发人才的培养都会起到非常重要的作用。
高能物理相关技术的应用
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高能物理或者说粒子物理有很多的技术应用，最直接的应用就是同步辐射装置。我们现在正在怀柔建设北京高能同步辐射光源，2025年会建成。它对国内其他领域的研究，包括材料、化学、生物、地质、环境，凝聚态物理等都会起到非常重要的作用，也是实现国际领先必不可少的手段。
我们在东莞刚刚完成建设了中国散裂中子源。像发动机的叶片、高铁的轮毂等大型的装置，它本身的材料结构、应力、缺陷等等，都需要像散裂中子源、同步辐射装置这样大型的平台装置研究里面的问题。这能够真的解决高端装备制造业中一些卡脖子的核心关键技术问题，走到世界的前面。
到目前为止，全世界大约有3万多台加速器，其中一半都在医院，通过产生放射性核素等，让大家做正电子扫描检查或者做质子治癌、重离子治癌、伽玛射线治癌等等。同时在其他方面也有很多业务。
▲ 加速器硼中子俘获治疗实验装置
给大家举一个例子。散裂中子源建设完成之后，我们利用其中发展出来的技术建设了一个加速器硼中子俘获治疗装置，这个装置可以用于治疗各种癌症。特别是那种弥散性的、用其他手段完全无法治疗的癌症，它可能是唯一的办法。我们的人体实验设备今年会在东莞人民医院建成。
▲ 蒂姆·伯纳斯·李
另一个例子就是大家每天都在使用的互联网万维网。互联网是美国军方发明的，最初只在军方和大学里使用。1989年，欧洲核子中心的蒂姆·伯纳斯·李认为，对粒子物理学家来说，需要一个在全世界范围内交换数据、程序、想法、文件的手段，所以他发明了World Wide Web这样一个技术，也就是我们熟知的万维网WWW，这就是世界上第一个全能的文件信息交换系统。
1993年，欧洲核子中心向全世界开放了WWW技术，所以世界上第一个网页、第一个浏览器都是在欧洲核子中心建成的。它将这个技术知识产权开放给了全世界，让大家都可以使用。
作为中国的高能物理研究单位，高能所在国内这方面也一直走在前面。比如中国向世界发出的第一封电子邮件，就是1986年从高能所发到欧洲核子中心的；1994年，中国第一个WWW网站也在高能所诞生，它不仅是高能所的主页（Home Page），也是中国的主页，大家可以看它的入口是IHEP China Home Page。
理解神奇美妙的粒子物理世界，是人类文明发展最高端的标志之一，简单美丽的标准模型目前产生了20多个诺贝尔奖，但这显然不是终点，还有很多问题需要我们解决。中国应该对人类的文明做出贡献，我们大亚湾中微子实验、北京谱仪等取得了一些成绩，接下来的江门中微子实验和大型正负电子对撞机会使我们的梦想成真，走到世界前列，对人类文明做出更大贡献。同时粒子物理也会给我们带来各种各样的应用。
谢谢大家的关心和支持，谢谢！
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2.对于麦克斯韦方程组，洛伦兹变换的低速极限是伽利略变换吗？