理解物質的本源，美妙神奇的基本粒子 | 王貽芳——科學講壇

粒子物理標準模型

是人類文明發展史上的一個豐碑。

到目前爲止，從定量的來說，

大概還沒有比它更加成功的理論。

王貽芳· 中國科學院院士

格致論道第77期 | 2022年2月26日 北京

大家好！非常榮幸、也非常高興能夠來到“格致論道”基礎科學專場，向大家介紹粒子物理研究的內容、目標，我國粒子物理髮展的現狀，以及未來的計劃。我還將結合自己的研究經歷，和大家聊一聊研究過程中的一些體會。

我們知道，世界萬物的構成是一個古老的哲學命題。2000多年前，亞里士多德、左丘明等哲學家都研究過“物質世界如何構成”，最後他們不約而同地得出了一個結論：物質是由一些最基本的單元構成的。亞里士多德說世界萬物由水、氣、火、土還有以太構成，我們中國人說構成元素是金、木、水、火、土。這些實際上都是哲學思考。

▲ 從哲學思考（左）到元素週期表（中）再到基本粒子（右）

近代科學告訴我們，物質世界確實是由一些最基本的元素構成的。這就是我們大家非常熟悉的元素週期表，有100多種元素。經過200多年的研究，我們又有了更深層次的認識，物質世界其實是由更基本的基本粒子構成。上圖右側就是我們“看到”的一些基本粒子。

看不見、摸不着的基本粒子

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基本粒子看不見、摸不着，我們怎麼研究？ 主要通過各種實驗手段，使用各種儀器拓 展人的感知能力。

中國著名高能物理學家趙忠堯先生在正電子的發現中起過非常重要的作用，左邊這張圖就是一張正電子的照片。中圖的粒子叫反西格瑪負超子，是20世紀50年代王淦昌先生領導的合作組在蘇聯發現的。右邊這張是在北京正負電子對撞機上看到的J/ψ粒子，丁肇中先生在70年代發現了它。

左邊這張是我們在大亞灣實驗中“看到”的中微子。中間是我們發現的最後一個最基本的粒子——希格斯粒子，它是由右圖中這個很大的探測儀器看到的。人目力所及的範圍實際上非常有限，但我們可以通過儀器拓展感知能力，看到一個更加微觀的世界。

經過從50年代到現在大約70多年的努力，我們現在對基本粒子的世界有了非常清楚的認識。如果把它比作“磚塊”的話，在60年代的時候，我們就認識到構成整個基本粒子的世界其實非常簡單，3個夸克。那麼大家自然會問，爲什麼只有3個？爲什麼不能4個、不能5個、不能6個？這個問題非常正確。

1974年，丁肇中和B.里克特發現了J/ψ粒子，這就告訴我們存在第4種夸克。在這之後，我們又發現了第5種夸克和第6種夸克，這裡面很多人因此獲得了諾貝爾獎。

還有一大類叫做輕子的粒子，其中最簡單的就是大家都知道的電子。電子是基本粒子家族中第一個被發現的，雖然那時我們並不知道它在整個基本粒子的世界中起着怎樣的作用，但現在我們知道它是輕子世界最輕的粒子。

在電子之後，我們發現了相對更重一點的輕子，我們把它叫做μ子。除了質量要更重一點，它的性質跟電子完全一樣。20年以後，我們發現還有一類輕子，它跟電子幾乎是對應的，但電荷不一樣、性質不一樣，我們把它叫做電子型中微子。到了1962年，我們發現了第2種中微子，我們將其命名爲μ子中微子。我們也自然地猜想到了第3種輕子，還有這第3種相對應的中微子。所以大家看這是一個結構非常簡單、有規律的、週期性重複出現的基本粒子結構。

大家看到第1代、第2代、第3代，自然會問有沒有第4代。1989年到1990年，在歐洲核子中心大型電子正負電子對撞機和美國SLAC直線對撞機上，我們發現整個粒子物理的世界只有這3代，沒有第4代。這件事情很奇怪，但也讓基本粒子的世界變得非常簡單。也就是說12種基本粒子構成了整個物質世界，它比我們的元素週期表更加清晰、簡單。但它的週期性、對稱性應該說更加複雜。

除了“磚塊”，我們還需要有“水泥”。就像我們蓋房子一樣，除了有磚之外，我們還得把這些磚黏起來。描述這些“磚塊”之間相互作用的，我們叫做相互作用的粒子。相互作用的粒子有幾大類，一類是光子，它傳遞電磁相互作用。大家中學裡學過的麥克斯韋方程就描述了電磁相互作用，那麼它傳遞相互作用的粒子就是光子。

另外一類是弱相互作用，經常在原子核的衰變當中看見，傳遞這種相互作用的粒子叫做W和Z粒子。後來發現，電磁相互作用和弱相互作用可以用同一個方程式描述，我們把它叫做電弱統一理論。與電弱統一理論相關的幾位科學家獲得了多個諾貝爾獎。還有一類相互作用的粒子叫膠子，描述強相互作用，我們把這個理論本身叫做量子色動力學。

大家可以看到，我們有了“磚塊”，又有了“水泥”。有很多非常重要的物理學家在建立這個理論體系的過程中做出了極其卓越的貢獻，大約有十幾近二十個諾貝爾獎頒發給了他們。

還有最後一個粒子，我們叫它希格斯（Higgs）粒子，它給了所有粒子質量。我們需要這個粒子，因爲描述相互作用的規範場理論要求粒子都是沒有質量的，事實上這些粒子又是有質量的——我們在實驗中發現粒子有質量。因此就需要有一個所謂的希格斯機制，後天地賦予這些規範場粒子和費米子質量，這樣整個理論本身就變得非常完備。事實上，我們真的在2012年發現了希格斯粒子。

因此整個標準模型有三大類，一類是所謂的“磚塊”——12種費米子；另外一類是傳遞相互作用的粒子，玻色子；最後一類就是質量起源的粒子，希格斯粒子。這三大類構成了我們整個粒子物理的標準模型。

中國粒子物理的起步

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應該說粒子物理標準模型是人類文明發展史上的一個豐碑。到目前爲止，定量地來說，大概還沒有比它更加成功的理論。所有理論的預言和實驗相比較，其差別小於千分之一，個別地方到了萬分之一的精度。也就是說，目前我們還沒有看到有違反這一理論的任何定量的跡象。

但非常可惜，所有這些重大發現，包括大約二三十個諾貝爾獎都跟中國人沒有太大關係。這也是爲什麼80年代，小平同志決定要建設北京正負電子對撞機。

▲ 北京正負電子對撞機

我們要追趕國際高能物理的發展步伐，希望通過建設這樣一個大型裝置帶動國際合作，推動中國70年代末80年代初的改革開放。另外一個目的是打破國際對中國的各種禁運，對各種設備、技術的封鎖。

北京正負電子對撞機1984年開工建設，1988年完成對撞；在2004年做了一次重大改造，2009年完成。北京正負電子對撞機建設完成之後，1988年小平同志親臨高能所，對我們發表了一個非常重要的講話：中國必須在世界高科技領域佔有一席之地。

應該說，經過30多年的努力，我們確實實現了這樣的目標。在粲物理領域，中國在國際上有非常好的領先地位，比如我們發現了一種4夸克態的粒子，它在2013年被列爲國際物理學11項重要成果之首。

中微子領域的突破與新使命

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最近這些年，我們在中微子研究領域也做出了一些重要的成績。剛纔介紹了12種最基本粒子，其中有3種中微子，應該說在整個構成物質世界的“磚塊”中起了非常重要的作用。中微子有一個非常特殊的性質，就是在飛行當中，一種中微子可以變成另外一種中微子：比如電子中微子產生以後，在飛行的過程當中可以變成μ子中微子，然後再變回來。這種所謂的“中微子振盪”，實際上是中微子量子性質的宏觀體現。

這樣的宏觀體現給了我們一個機會可以測量中微子的質量。大家可以從上面的公式中看到，中微子的振盪和質量的平方差是相關聯的。如果質量平方差爲0或者中微子質量爲0，這個振盪是不會存在的。

所以發現中微子有振盪，實際上告訴我們中微子有質量。在宇宙中，每立方厘米有300箇中微子，哪怕中微子只有非常小的一點點質量，它對宇宙的演化和構成都起了非常重要的作用，如現在看到的宇宙大尺度結構、星系、太陽、地球等。換句話說，如果中微子質量真的絕對爲0，宇宙當中的星系是不會存在的，地球和太陽大概也不會存在，我們在座的各位自然也就不存在了。我們今天能夠坐在這裡，與中微子那麼一點點質量是密切相關的。

中微子有質量，它就會發生振盪。在1998年和2002年，日本和加拿大的兩個實驗分別發現了太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，因此獲得了2015年的諾貝爾獎。

在發現大氣中微子和太陽中微子振盪之後，中國的科學家就在推動看能不能用θ13來描述中微子的另外一個振盪模式，看能不能把它測出來，當時我們不知道這個參數。

▲ 大亞灣中微子實驗

那麼通過參數的測量，我們可以把中微子振盪的基本的規律、完整的圖像描述出來，同時這個參數也是剛纔說的標準模型裡面28個最基本的參數之一，是一個非常重要的物理學的基本參數。它對我們未來理解宇宙當中物質、反物質不對稱性有非常重要的作用。在2012年，我們的大亞灣中微子實驗測出了θ13這個參數，Sin²2θ13等於0.092，它爲0的機率是千萬分之一。

▲ 江門中微子實驗的選址

在大亞灣中微子實驗的建設過程中，我們就在考慮，大亞灣之後我們中國的中微子物理應該往哪個方向發展，因此我們提出了江門中微子實驗的方案。非常幸運，我們在臺山、陽江兩個核電站等腰三角形的中線上找到了一座小山，在這個小山下面就可以建設江門中微子實驗，它與反應堆的距離差不多是58公里。

通過建設這樣一個實驗，我們可以測量中微子的質量順序，可以精確測量中微子的混合參數、把精度提高10倍左右，可以研究超新星、地球及太陽中微子，尋找惰性中微子，質子衰變等等，可以做很多實驗，它的科學壽命大約有30年左右。

同時我們也計劃，在2030年左右對探測器進行升級，以此測量中微子的絕對質量。到目前爲止，我們只知道中微子有質量，知道中微子質量差是多少，但是我們不知道中微子絕對質量到底是多少。而這個絕對質量的大小對宇宙的演化具有非常重要的意義。

到目前爲止，距離我們估計的、大概能夠測到絕對質量的位置還差兩三個量級。我們希望在未來10年到20年左右的時間，把這兩三個量級精度的空檔填上，能夠真的測到中微子的絕對質量。

大家可以看到，這是一個巨大的探測器，它在水池下面，直徑差不多有40多米。

給大家看兩張照片，左邊是國產20英寸的光電倍增管，右邊是我們正在進行的安裝工作。這個項目在2008年開始策劃，現在正在安裝，我們希望2023年年底可以全部安裝完成，開始運行。

這是計算機模擬的一箇中微子事例，我們可以通過光電倍增管看到。這一個個點、一個個球就是光電倍增管，它會看到這裡面發生的中微子相互作用的事例。通過重建，我們可以把中微子的能譜測出來，接着將中微子質量順序測出來。

希格斯粒子之謎：粒子物理的未來

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粒子物理未來最重要的發展方向其實在希格斯粒子。剛纔提到，希格斯粒子是我們最後發現的基本粒子，雖然它被發現了，我們也測出了質量，但是還有一些基本的問題等待回答。

比如我們無法確定希格斯粒子到底真的是基本粒子，還是一個複合型的、由兩個更基本的粒子構成的粒子。希格斯粒子在標準模型中賦予了所有其他粒子質量，但是它自身的質量是哪兒來的？理論本身無法給出解釋。而且希格斯粒子導致真空不穩定，這也說明我們的標準模型是有缺陷的，需要解決自洽性。除此之外，還包括希格斯粒子的質量值極不自然、它與暗物質粒子的耦合等問題。

▲ 環形正負電子對撞機想象圖

這些問題告訴我們，尋找超出標準模型的新物理的最佳窗口是希格斯粒子，這也是國際共識。目前國際上有4項方案，希望建設一個大型的希格斯粒子工廠，大量地產生希格斯粒子，研究它的性質。我們中國也提出了這樣一個方案，叫做環形正負電子對撞機（CEPC），它是我們中國粒子物理實現國際領先的最佳、也是唯一窗口。

我們從2012年開始推動這項工作，2013年項目正式啓動，2018年完成項目的初步概念設計報告，這是一些照片。下面是我們完成的一些設備的關鍵預研成果。它們都是將來加速器、探測器所要用的核心關鍵設備。

▲ 左： 主環雙孔徑四極磁鐵

中：超導高頻腔右：硅像素二維陣列探測器X射線成像圖

CEPC項目會對技術發展起到一個巨大的推動作用，使國內已經有的一些技術，包括精密機械、超高真空、高精度磁鐵、高功率微波等更上一層樓，達到國際最先進的水平。此外，超導高頻腔、微波功率源等技術過去都依賴進口，我們希望通過這個項目能夠實現國產化。還有一些全世界都沒有的技術，我們希望獲得關鍵性、革命性的突破，包括將高溫超導材料用到大型加速器上，新型加速原理的實用化，把等離子加速用到現在使用的這種加速器上。

▲ 左：650MHz超導高頻腔

按照我們的最終目標，設備國產化率應該要超過90%；同時我們希望不僅僅是國產化的問題，我們需要國際領先，才能夠反制“卡脖子”，使我們的企業能夠真正佔領國際市場，引領行業的發展。所以這樣一個項目具有輻射影響力，對高端需求牽引、技術領先、研發能力的提高、研發人才的培養都會起到非常重要的作用。

高能物理相關技術的應用

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高能物理或者說粒子物理有很多的技術應用，最直接的應用就是同步輻射裝置。我們現在正在懷柔建設北京高能同步輻射光源，2025年會建成。它對國內其他領域的研究，包括材料、化學、生物、地質、環境，凝聚態物理等都會起到非常重要的作用，也是實現國際領先必不可少的手段。

▲ 左：北京高能同步輻射光源

右：中國散裂中子源

我們在東莞剛剛完成建設了中國散裂中子源。像發動機的葉片、高鐵的輪轂等大型的裝置，它本身的材料結構、應力、缺陷等等，都需要像散裂中子源、同步輻射裝置這樣大型的平臺裝置研究裡面的問題。這能夠真的解決高端裝備製造業中一些卡脖子的核心關鍵技術問題，走到世界的前面。

到目前爲止，全世界大約有3萬多臺加速器，其中一半都在醫院，通過產生放射性核素等，讓大家做正電子掃描檢查或者做質子治癌、重離子治癌、伽瑪射線治癌等等。同時在其他方面也有很多業務。

▲ 加速器硼中子俘獲治療實驗裝置

給大家舉一個例子。散裂中子源建設完成之後，我們利用其中發展出來的技術建設了一個加速器硼中子俘獲治療裝置，這個裝置可以用於治療各種癌症。特別是那種彌散性的、用其他手段完全無法治療的癌症，它可能是唯一的辦法。我們的人體實驗設備今年會在東莞人民醫院建成。

▲ 蒂姆·伯納斯·李

另一個例子就是大家每天都在使用的互聯網萬維網。互聯網是美國軍方發明的，最初只在軍方和大學裡使用。1989年，歐洲核子中心的蒂姆·伯納斯·李認爲，對粒子物理學家來說，需要一個在全世界範圍內交換數據、程序、想法、文件的手段，所以他發明了World Wide Web這樣一個技術，也就是我們熟知的萬維網WWW，這就是世界上第一個全能的文件信息交換系統。

1993年，歐洲核子中心向全世界開放了WWW技術，所以世界上第一個網頁、第一個瀏覽器都是在歐洲核子中心建成的。它將這個技術知識產權開放給了全世界，讓大家都可以使用。

▲ 左：中國向世界發出的第一封電子郵件

右：中國的第一個WWW網站

作爲中國的高能物理研究單位，高能所在國內這方面也一直走在前面。比如中國向世界發出的第一封電子郵件，就是1986年從高能所發到歐洲核子中心的；1994年，中國第一個WWW網站也在高能所誕生，它不僅是高能所的主頁（Home Page），也是中國的主頁，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，是人類文明發展最高端的標誌之一，簡單美麗的標準模型目前產生了20多個諾貝爾獎，但這顯然不是終點，還有很多問題需要我們解決。中國應該對人類的文明做出貢獻，我們大亞灣中微子實驗、北京譜儀等取得了一些成績，接下來的江門中微子實驗和大型正負電子對撞機會使我們的夢想成真，走到世界前列，對人類文明做出更大貢獻。同時粒子物理也會給我們帶來各種各樣的應用。

謝謝大家的關心和支持，謝謝！

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