【墨子沙龙】第八期 王贻芳院士中微子与我国粒子物理研究（上）
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主持人：欢迎大家来到墨子沙龙，今天是墨子沙龙第八期，今天非常有幸请到中国科学院高能物理研究所所长，中国科学院院士王贻芳研究员，来给我们做一个关于中微子与我国粒子物理研究方面的报告。
我就想给大家简要介绍一下王贻芳所长，他是大亚湾中微子实验的首席科学家，曾经率领研究团队取得发现新的中微子震荡的重大物理成果。其实我们建国以来，我们中国科学家的相关成果，有少数几次入选了美国科学杂志年度十大科学突破，其他的有几次也包括我们自己的工作，但是我们都是在里面提到了，也是工作之一。王贻芳所长工作那一年提到之后，是我们中国科学家首次完全以中国科学家为主，率先取得成果，入选美国十大科学突破。
这几年来王贻芳所长，获得了国际上的许多非常重要的奖项，这里包括基础物理学突破奖，包括很多大科学家，威滕、霍金等很多科学家也都曾经获得过基础物理学突破奖。王贻芳所长去年获得美国物理学会粒子物理方面的最高奖，潘诺夫斯基实验的物理学奖，同时也获得了日经亚洲成就奖等等，非常有名的国际奖项，同时也获得了我们国内的，包括周光召基础科学奖和何梁何利科技进步奖等的重要奖项。
那么中微子是什么？我当年也是学理论物理的，但是我今天中午和王所长吃饭的时候（聊到），当年1992年1994年学粒子物理的时候，那个时候中微子还是没有质量的，中微子以光速飞行，穿破整个地球，基本上地球对它来说就跟空气一样的，就是它可以轻易地穿过整个地球，后来新的发现，学到我当年学到的知识，都已经老化了，今天非常荣幸地请到王贻芳所长给我们介绍一下中微子物理目前最新的进展，和我们国家粒子物理科学家关于我国粒子物理研究的新思考。这我觉得是一个非常有益的事情。
下面以热烈掌声请王贻芳所长给我们作报告。
王贻芳：谢谢潘建伟，谢谢大家邀请，非常荣幸有机会跟大家一起谈谈中微子，谈谈粒子物理。量子通讯和量子计算，现在在国内也算是非常重要的研究方向，有重大成果的研究团队，我也久仰，今天有机会看了一下实验室，确实也学到很多东西，非常感谢建伟给我这样一个机会。
今天跟大家谈一下中微子，也谈一下粒子物理整个研究的想法和我们未来一些计划。
什么是粒子物理
首先，讲一讲粒子物理研究的是物质世界最基本的组分，或者是最小的组元，和他们之间的相互作用。在过去几百年甚至上千年，人类一直在追寻我们物质世界最小的组元，希腊时就有一些想法，我们中国的古人也在讨论过这样的事情，到近代科学，应该说从大家认识分子，认识有原子，认识到原子核，实际上在一步步深化，深化的过程实际上追寻我们物质世界的最基本的组元，粒子物理或者有时候叫高能物理，实际上也就是研究物质当中最基本的组元，及其相互作用这一门学科。
具体来说我们要解决的基本问题，一个刚才说过了：寻找物质世界最基本的元素怎么构成的，元素周期表100多种，基本粒子到底有多少种？第二个，这些基本粒子之间的相互作用是什么规律？第三个是所有这些基本粒子性质到底怎么样？最后一个实际上是这些基本粒子的性质和相互的作用规律，实际跟宇宙的起源演化有非常密切的关系，他们之间的规律也是我们要研究的内容。
标准模型
粒子物理有一个所谓的标准模型，经过几十年的研究，实际上已经把构成物质世界最基本的组元有了相当清晰的认识，这个认识就是说，构成我们物质世界最基本的单元，就是十二种基本粒子：六种夸克、三种轻子和三种中微子，在轻子里面有电子，是我们知道的第一个基本粒子；还有后面发现的μ子和tau。中微子和轻子一一对应，就是在这里的（Ve，Vu，Vt）。这些夸克构成了原子核里面的质子和中子，质子、中子当然构成了原子核、构成了整个物质世界。整个物质世界最基本的元素分成两大类，一共12种，其实非常简单，比元素周期表100多种要简单得多。这些最基本的粒子，打一个比方：建一个大楼它就是砖块，把这些砖块黏起来的水泥，就是传递相互作用的粒子，就是我们所说的光子、W粒子、Z粒子和胶子，这些粒子就是把基本“砖块”粘接起来的相互作用力。
第一个是光子传递电磁相互作用，第二个是W、Z和弱相互作用。人类实际上一直在追求，怎么把相互作用统一起来，最早的尝试是麦克斯韦，他把电和磁统一起来，就是电磁相互作用。本世纪的60年代到80年代我们有一个新的统一，就是把电磁相互作用，和原子核当中的弱相互作用统一起来，就是电弱统一，现在我们还在努力把强作用统一起来，人类有过各种各样的尝试，比如大统一理论等等，甚至更大统一是把引力也统一起来，这是大家一直在做的不断的追求，到目前为止，我们只做到现在这个程度。
最后一个例子是Higgs。所有这些基本粒子，我们说夸克、轻子，光子、W粒子、Z粒子、胶子，都满足所谓的规范相互作用，规范相互作用有一个最基本的要求，所有粒子质量为零，我们知道粒子质量都不为零，质量哪来的，通过Higgs机制，Higgs机制里面有Higgs粒子，Higgs粒子就把所有参与规范相互作用的质量为零的粒子赋予了质量，这是我们整个标准模型大框架。
Higgs粒子是最后一个发现的基本粒子，是2012年在欧洲核子中心的大型强子对撞机上，这个大家努力了30多年，我1985年做学生的时候就开始找Higgs粒子，一直到2012年才被CERN找到，这是全球上万名科学家和工程师30多年的努力，里面有丰富的科学、工程、管理、国际合作、文化等等各方面的努力。这里面有巨大的社会影响，在2012年的时候如果注意，看到网上、报纸上各种报道，全球至少有上千家媒体的报道，对人类的社会生活产生非常大的影响。在寻找Higgs过程当中，在建设大型强子对撞机的过程当中，科学家发明了WWW网页，第一个WWW页的HTTP，HTML，所有Particle都是在1989年和1991年前后，CERN的科学家发明的，为了解决在LHC研究过程当中，全世界上千名科学家之间的信息互通的问题，之前大家都用E-mail，效益是很低，有各种各样的问题，Web出来以后，解决了信息传递的一个最主要的问题，高能物理对人类社会的贡献除了给我们带来了知识之外，同时还深刻地改变了我们目前的生活方式，如果没有WWW网页的话，我想我们网络经济也好，手机也好，现在大家用的Web大概都不存在。
粒子物理发现Higgs粒子以后，是不是都结束了？标准模型看起来很完备的，应该说粒子物理研究在近代其实取得了辉煌成就，到目前为止，标准模型在理论的构造方面取得了9次诺贝尔奖，在实验的验证方面获得8次诺贝尔奖，技术进步方面有3次诺贝尔奖，加起来大概20次，这些成功使得刚才介绍的标准模型可以当做一个已有的成就，已有的知识介绍给大家。
下一步发展
显然，作为一个粒子物理学家，我们理解它不是一个最终的理论，还有很多问题没有解决，我们要问的问题就是，标准模型完备以后，我们的粒子物理下一步到底往哪发展？实验上我们下面会介绍，我们已经看到一些超出标准模型的迹象，理论上标准模型也不完备，我们追求的一个更深层次的，我们刚才介绍的12种基本粒子，他是不是基本粒子，是不是有更深层次的东西在里面。
还有一个努力方向是更大程度的统一，我们现在已经把电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一起来了，今后甚至要把引力统一起来了，这是更大的相互统一的追求。同时，我们也在追求基本结构深层次方面的研究，在这方面，我们有各种各样的理论模型，其中很多是所谓的复合模型: 我们看到的基本粒子是由更深层次、更基本的粒子复合而成现在这样的粒子。还有大统一理论，超对称，偶尔大家会听到的名词，所有这些理论，从数学上来说，都可能可以归纳到一个最终极的理论，就是超弦理论，或者可以说，所有其他这些理论，都是超弦理论在某种程度上的一个特例，或者一个特别的模型。
标准模型的问题
解决这些问题，唯一途径就是通过新的实验证据，我们才知道下一步粒子物理往哪个方向发展，知道我们到底问题在哪里？或者哪里能找到更深层次解决问题的办法。粒子物理标准模型到底有哪些问题？标准模型首先我们知道它不是一个终极理论，原因在下面这几点：
第一个是我们看到的基本粒子。刚才给大家介绍的除了光子没有质量之外，这12种基本的轻子跟夸克他们质量差了10的13次方，他们是一个家族，都是最基本的粒子，但是为什么质量差这么多？打一个比方，都是哺乳动物质量可能会差100倍，1000倍，怎么会差10的13次方倍，同一类的东西，怎么会差这么多？都是同一个层次的，这很难让人理解。
第二个问题是Higgs粒子的质量。按照现在的理论模型计算出来的话，是两个巨大数字的相减。也就是说10的43次方左右的精度，这么大一个精度刚好减出一个Higgs粒子出来，如果不是这样的话，Higgs粒子会差很大，这是很难想象的，这一定有一个对称性或者规范性限制使得它最后在这样的精度上能够减出粒子的质量出来。这是自然性的问题，如果1到10个GeV之间，没有新物理的话，最后结论必然这样减出来，这个没有办法让人理解的很多人相信到1到10个GeV之间有新物理，而不是10的43次方的大数相减，可能是在百分之一的量级上，两个数的相减，可以减出这样的数字来，百分之一的自然性调节我们可以接受，万分之一甚至更高不太能让人接受，我们觉得在10个GeV之下应该有新物理存在，保证希格斯粒子的质量能够以某一种自然的方式能够呈现出来。
第三个问题按照目前的标准模型，我们可以测出TOP夸克的质量和Higgs的质量，这个位置是非稳定态，另外一个位置是稳定态，介于稳定和非稳定之间，属于亚稳态，什么是亚稳态？就是你把球放在山顶上，可能会稳定一下，手一松会滚下来，不是一个稳定态。我们很难想象，我们处在的世界真空，是一个亚稳态的真空，不是一个真正的稳定状态，所以我们的理解是，应该有一个新物理规律，有一个问题在后面，使它后面呈现出来现在这个样子。
再一个标准模型当中没有暗物质粒子，也没有办法解释宇宙当中为什么没有反物质，所以我们认为标准模型不是终极完备理论，有很多问题在里面，需要我们去寻找和发现，特别通过新的实验事实找到未来发展路线。
实验证据
实验上有两个实验证据，证明标准模型不是终极理论。第一个在高能相互作用下，大家可以看，相互作用所谓的耦合常数高能下没有相交，如果三个力统一起来，弱、电磁、强相互统一起来，这三个线在高能情况下交于一点，现在没有交，如果用最简单的超对称模型看是交上，并不能证明超对称模型是正确的理论，只是说类似的理论是存在的，也许有一个理论最终能实现三种相互作用力的最终统一。
第二个实验证据就是我们知道现在中微子有质量，标准模型当中中微子是没有质量的。到现在为止，没有一个理论的办法，在标准模型当中描述有质量的中微子，这个问题仍然没有解决。你们可以看这里面很多问题，第一个，第二个，第三个，都是跟质量有关，都跟Higgs有关，中微子问题也是在它的质量上面，这里面很多问题都是跟Higgs有关，Higgs是我们寻找未来更新的新物理的一个突破口。
国际上对高能物理未来发展战略，有这样一些计划：日本在2012年发布了高能物理发展规划，它说如果发现Higgs粒子，日本应该建造国际直线对撞机，缩小叫ILC。如果中微子混合角θ13被确认较大，日本应该建造一个超超级神冈实验Hyperk，所以日本曾经建造的Super Kamiokande他简称Super，比Super更高的是Hyperk。所以他认为日本应该做这两件事情，这两个假设我们现在都知道是对的，Higgs找到了，θ13也很大，但是日本这两个实验都还没有往前推进，由于经费的原因，经济上的问题。
欧洲在2013年9月发布了高能物理规划，一个是继续大型强子对撞机LHC，并且把亮度升级至10倍以上，运行至2035年，未来20年当中一直继续运行LHC。同时在更远的未来要研究环型质子与正负电子对撞机。叫做FCC-hh或者FCC-ee，HH是强子对撞，EE是电子对撞。这是所谓的100公里的大型的正负电子或者强子对撞机。另外可能会加入美国的中微子实验，美国说要做中微子实验加速器，LBNF/DUNE，同时参加其他方面的研究。
整个粒子物理的标准模型、宇宙学的标准模型，互相之间有一些联系，核心当中是粒子物理的标准模型，原来有一个缺口，Higgs不存在，现在缺口也没有了，所有已知的粒子都已经找到了，但是在外面有很多问题，我们是不知道的，或者没有解决，比如Higgs的问题、CP破坏的问题、中微子的问题还有强子物理等等，已知的有问题的地方要解决，外面是超出标准模型的新物理，比如有复合模型，超微，超对称我们刚才说的，到底对不对不知道，宇宙当中反物质在哪里，中微子有很多问题没有解决，我们刚才说过了，下面还会再说暗物质的问题。
中国相关
中国的高能物理，第一是北京正负电子对撞机和北京谱仪，它研究的是强子物理，寻找的是稀有衰变。在这个外面我们有北京正负电子对撞机研究的是这些问题，比如强子物理QCD，我们知道夸克构成了质子跟中子，这是定性质的，其实定量的到现在为止还算不出来，三个夸克怎么构成了一个中子一个质子，定量算不出来，定性我们知道是对的，这是个问题我们要解决。那么北京正负对撞机上我们研究这个问题，同时包括寻找稀有衰变等。
在高能量前沿，实际上寻找更深层次的、更下一层结构的新物理，到底有还是没有？到底什么样？那叫高能量前沿，就是欧洲强子对撞机，我们中国也是参加了合作。反物质方面，中国参加了丁肇中先生领导的反物质实验在天上的，中微子我们有大亚湾实验，有江门中微子实验。下面会介绍。
暗物质有地下的锦屏实验，空间有DAMPE实验和HERD实验。我今天不会把所有的东西都介绍，一个介绍中微子大亚湾、江门，这是我比较知道的了解的。DEPCII/BESIII，我自己参加，比较了解，再一个解决所有这些问题的一个最核心的装置，就是下一代大型对撞机，先是第一步，正负电子对撞成为Higgs粒子工厂；第二步是一个质子质子对撞，它能够解决什么问题？我红线划出的这些问题，这些问题它都可以研究和解决，同时它跟暗物质，跟反物质也都有关系，所以它可以虚线或者部分解决这些问题。
做一个广告，最近我们刚刚出了两本科普书，一个《北京正负电对撞机》，一个《大亚湾反应堆中微子实验》，大家有兴趣可以网上买一本知道更多的细节。
你猜下期嘉宾是谁呢？不告诉你。自己去观众微信群里找答案吧。
xià rì zhī gē
♫. ♪~♬..♩
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