探究物質(zhì)之本

對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索

物理學(xué)是一門非常古老的學(xué)科。幾千年前，哲學(xué)家們就在思考世界到底是由什么構(gòu)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(zhì)的結(jié)構(gòu)。芝諾認(rèn)為空間是無限可分的;留基伯則認(rèn)為空間不是無限可分的，而是由無數(shù)“不可分”的微粒組成。德謨克利特認(rèn)為世界是由空虛的空間和物質(zhì)組成的，而后者是由無數(shù)不能再分的、看不見的微小原子組成的。亞里士多德進(jìn)一步提出物質(zhì)是由“水、氣、火、土”四種元素組成，天體是由第五種元素“以太”構(gòu)成。同一時期，中國也有類似的思想產(chǎn)生。老子曰：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”左丘明曰：“以土與金、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”?！敖?、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(jié)論，人類文明的發(fā)展實(shí)在是件很有意思的事情。

真正現(xiàn)代科學(xué)意義上的原子論是從道爾頓開始的。1803年，道爾頓提出物質(zhì)世界的最小單位是原子，原子是單一的、獨(dú)立的且不可被分割的，在化學(xué)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(xiàn)原子由原子核和核外電子組成，隨后的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子核是由中子和質(zhì)子構(gòu)成。又過了60年，1964年美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G·茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元夸克構(gòu)成。人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷深入，帶動發(fā)展出了化學(xué)、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(rèn)識的深入而開發(fā)出的各種技術(shù)，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(jì)50年代，粒子物理從原子核物理中獨(dú)立出來，成為一門新學(xué)科，目的是研究物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。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(xué)獎。

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

為了探索更小的結(jié)構(gòu)，我們必須借助粒子加速器，比如通過加速電子運(yùn)動使其達(dá)到高能狀態(tài)，利用電子與靶物質(zhì)“碰撞”來探索更小的結(jié)構(gòu)。為了記錄加速器所產(chǎn)生的關(guān)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(fù)雜系統(tǒng)，可以探測粒子的動量、能量以及質(zhì)量，重建粒子的整個運(yùn)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(shí)驗(yàn)是不需要加速器的，比如宇宙線實(shí)驗(yàn)（地面、高空、太空）、部分中微子實(shí)驗(yàn)等等，但是所有的實(shí)驗(yàn)都需要探測器。

粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)有著非常密切的關(guān)系。在目前的大爆炸宇宙學(xué)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(yùn)動過程就顯得越來越重要。事實(shí)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(guān)系，基本粒子的性質(zhì)決定了宇宙的面貌。同時，宇宙學(xué)的觀測手段和粒子物理實(shí)驗(yàn)手段也有很多類似的地方。

粒子加速器對其他學(xué)科的研究起到了非常重要的作用。比如，利用加速器產(chǎn)生的同步輻射或者中子散射，我們可以探索蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，研究新的藥物和材料，這為生物學(xué)研究、材料科學(xué)、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(biāo)準(zhǔn)模型和希格斯粒子

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型揭示了物質(zhì)是由三代輕子和夸克構(gòu)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(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型顯示，物質(zhì)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(jìn)行相互作用，使得整個物質(zhì)世界構(gòu)成一個有機(jī)的整體。同時，標(biāo)準(zhǔn)模型還構(gòu)造了一個希格斯玻色子（Higgs boson）場，以賦予標(biāo)準(zhǔn)模型粒子質(zhì)量。

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是極為成功的。它以令人驚嘆的精確度準(zhǔn)確預(yù)言和詮釋了幾乎所有加速器實(shí)驗(yàn)上能觀測到的現(xiàn)象。2012年，在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了希格斯（Higgs）粒子，它的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言高度吻合。至此，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)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(yù)言和發(fā)現(xiàn)無疑是標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大成功，但是標(biāo)準(zhǔn)模型很難被認(rèn)為是一個終極理論。首先，標(biāo)準(zhǔn)模型中有大量自由參數(shù)。其次，其內(nèi)部有一系列的理論疑難，比如質(zhì)量等級疑難：標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言所有費(fèi)米子的質(zhì)量都是通過同樣的機(jī)制產(chǎn)生，而費(fèi)米子的質(zhì)量差可高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)實(shí)驗(yàn)之外，尚有大量標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的現(xiàn)象，比如宇宙中的暗物質(zhì)、暗能量、暴漲、中微子震蕩等現(xiàn)象。凡此種種，人們普遍相信標(biāo)準(zhǔn)模型不是粒子物理的終極理論，而只是一個更加基礎(chǔ)的低能有效的近似理論。那么，發(fā)掘出標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)觀測中已經(jīng)明確觀察到中微子振蕩現(xiàn)象，說明自然界中的中微子是有質(zhì)量的。這和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言是不一致的。換言之，人們已經(jīng)明確觀測到了超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。

?希格斯粒子及其精確測量

Higgs場在標(biāo)準(zhǔn)模型中處于核心地位。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬性，而作為質(zhì)量之源，Higgs場決定了粒子質(zhì)量，進(jìn)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(zhì)、暴漲等行為相關(guān)。簡言之，Higgs場同標(biāo)準(zhǔn)模型中幾乎所有的理論疑難直接相關(guān)。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(biāo)準(zhǔn)模型背后的、更加深刻的物理學(xué)原理的必由之路。在Higgs粒子被發(fā)現(xiàn)后，對其性質(zhì)的精確測量立刻被提上日程。

對粒子性質(zhì)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(jīng)有過Z粒子工廠（位于歐洲核子中心LEP，也是LHC實(shí)驗(yàn)的前身），B介子工廠（位于日本筑波市的SuperKEKB）等等。為了實(shí)現(xiàn)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(qiáng)子對撞機(jī)（簡稱LHC）本身是強(qiáng)有力的Higgs粒子工廠。時至今日，在LHC上已產(chǎn)生了數(shù)以千萬計的Higgs粒子，LHC不僅確認(rèn)了Higgs粒子的存在，還對它的物理性質(zhì)進(jìn)行了測量。數(shù)據(jù)分析表明，在LHC上發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言高度吻合。另外，LHC實(shí)驗(yàn)上有巨大的物理本底，平均每100億次的質(zhì)子對撞事例中才能產(chǎn)生一個Higgs粒子，這使得在LHC上對Higgs粒子進(jìn)行精確測量非常困難。換言之，LHC上對Higgs粒子性質(zhì)測量的精度受到很大限制?，F(xiàn)有研究表明，在LHC上，Higgs粒子的性質(zhì)測量的極限精度大約在10%量級。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論框架內(nèi)的基本粒子

正負(fù)電子對撞機(jī)是高精度Higgs粒子工廠的有力選型。和強(qiáng)子不同，正負(fù)電子不參與強(qiáng)相互作用，因此正負(fù)電子對撞環(huán)境下的物理本底要低得多。在合適的質(zhì)心能量下，平均每1000個正負(fù)電子對撞事例中就能產(chǎn)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(fù)電子對撞機(jī)上事例的初態(tài)信息精確可知，為Higgs粒子性質(zhì)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(shù)的發(fā)展

為了達(dá)到更高的對撞能量、更亮的積分亮度、處理更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，粒子物理研究一直就是新思想、新技術(shù)的源頭，同時也是人類協(xié)作的巔峰。回顧Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)工作集30多年全球上萬名科學(xué)家與工程師的共同努力，具有極為豐富的科學(xué)、工程、管理、國際合作、文化等內(nèi)涵。值得一提的是，在此過程中發(fā)明了World-Wide-Web和網(wǎng)頁瀏覽器。由于有大量的科學(xué)家在做這個工作，那么相互之間信息和數(shù)據(jù)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(jī)專家Tim Berners-Lee發(fā)明了www網(wǎng)頁技術(shù)。他堅持不申請專利，使得這項(xiàng)技術(shù)很快擴(kuò)展到全世界，最終成就了今天的互聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益無論怎么估算都不過分。

粒子加速器本身是一種應(yīng)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(shù)，在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物、地質(zhì)、環(huán)境等各領(lǐng)域都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

粒子物理的研究方法在生活中也獲得廣泛的應(yīng)用，全世界大概有3.5 萬臺加速器正在運(yùn)行，除了同步輻射裝置和散裂中子源這種大型設(shè)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(yīng)用更為廣泛，例如食品滅菌、殺蟲、保鮮，醫(yī)療材料的消毒，機(jī)場、海關(guān)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(xué)等領(lǐng)域也有非常多的應(yīng)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(shù)的發(fā)展。

2017年11月，CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會成立

事實(shí)上，基礎(chǔ)研究和先進(jìn)技術(shù)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(fù)電子對撞機(jī)會議上，來自全國各地的40多家高科技企業(yè)組成了CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會。我國工業(yè)界積極參加CEPC相關(guān)研究，同時也期待著CEPC研究能夠催生更多的新技術(shù)，比如大型超高真空、大型精密機(jī)械、高精度磁鐵/超導(dǎo)磁鐵、自動控制、抗輻照半導(dǎo)體芯片、超導(dǎo)高頻加速腔、微波功率源、液氦低溫系統(tǒng)、大型制冷機(jī)及低溫管道、大數(shù)據(jù)、計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)等。

粒子物理的未來

在標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子譜“完備”以后，粒子物理學(xué)該向何處去？這是物理學(xué)家都在思考的問題。

標(biāo)準(zhǔn)模型粒子譜的完備，并不意味著人們對標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)完全理解。人們對標(biāo)準(zhǔn)模型的理解是處于“知其然而不知其所以然”的狀態(tài)。而達(dá)到“所以然”則意味著人類認(rèn)識的巨大飛躍，是粒子物理未來研究，乃至整個物理學(xué)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(jié)構(gòu)。通過理論猜想構(gòu)建復(fù)合模型，預(yù)言結(jié)構(gòu)性質(zhì)，再想辦法通過實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)了自然界的實(shí)際情況。就像當(dāng)年的Higgs粒子一樣，當(dāng)時沒人知道對不對，直到通過實(shí)驗(yàn)找到它。因此未來不管選擇哪個方向，都需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。物理學(xué)是門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，最終要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

目前世界上有多個運(yùn)行中的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)有以及未來實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)，我們有望理解粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中存在的一系列根本性問題，從而大大增強(qiáng)人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)物理規(guī)律的理解，乃至最終突破對標(biāo)準(zhǔn)模型的認(rèn)識。這些問題包括Higgs粒子的性質(zhì)、CP破缺的大小、新物理模型的搜尋和驗(yàn)證（復(fù)合模型，額外維、超對稱等）、中微子的性質(zhì)、強(qiáng)子物理稀有衰變和精確測量等。同時，粒子物理實(shí)驗(yàn)要和宇宙學(xué)聯(lián)系起來，深入理解反物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量、暴漲以及早期宇宙演化和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)問題。對這一切關(guān)鍵問題的研究，不僅是物理學(xué)研究的未來，也是人類突破標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵，其間蘊(yùn)含著無限可能

（節(jié)選自《自然》雜志 第39卷第6期）