王贻芳：粒子物理走到尽头了吗？

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授课老师：王贻芳，高山书院顾问委员会委员，中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，发展中国家科学院院士，中国科学院高能物理研究所所长

已经发现的那些粒子就是最基本的粒子了吗？

弱电相互作用能不能跟强相互作用统一起来，成为大统一理论？

希格斯粒子的质量从何而来？它和暗物质的关系又是什么？

中国错过了上世纪粒子物理的所有重大发现，如果想要赶上，也许只有在粒子物理未来研究方向上下硬功夫了。我们未来的研究有两个大方向：一是研究新的理论，另外就是寻找新的证据。

要往这两个目标上快速靠近，一个最主要的路径是：借助下一代高能加速器。

对于中国而言，最佳的技术路线和方案就是：先做环形正负电子对撞机，然后在完成它运行使命之后，在同一个隧道里做质子对撞，一道两用。我们是世界上第一个提出来的。5年后，欧洲核子中心在2019年宣布了他们的最佳方案，跟我们的想法不谋而合。

我们选择的100公里环形CEPC，跟日本的ILC同样造价，但亮度高三倍，而且同时可以有两个探测器。和同样100公里的欧洲FCC-ee相比，亮度相当的情况下，造价又只是它的一半。

经过30多年折腾，我们对这个CEPC方案是有基础的。实际上在过去8年的努力下，关键技术跟国际水平已经非常接近。粒子物理是人类文明的标志性成就之一，我们正在追求从一席之地，走到全面领先。

粒子物理研究自50年代以来取得了辉煌的成就，大约有1/3的诺贝尔奖跟它有关。

那么大家很自然会问的一个问题是：粒子物理是不是快到尽头了？中国错过了上世纪粒子物理的所有重大发现，现在还有没有可能赶上？还是就在这个人类文明发展最深刻的领域彻底放弃，不玩了？

如果我们还想玩，就要提得出问题，并给出相应的解决思路。那么我们来看看粒子物理到底还有哪些科学问题？

尽头前的疑问

第一个问题，关于基本粒子的2x3矩阵。

这些真的就是最基本的粒子了吗？还是就像当初“无法分割的原子”一样，存在着我们现在还不知道的更基本的内部结构？因为这漂亮的对称性，不禁让我们联想到会有一个更深层次的结构，确保它最后呈现出这样一个对称性。目前有许多科学家提出了一种理论，叫做复合模型，但可惜还不太成功，需要继续努力。

第二个问题，关于相互作用的大统一。

历史上，我们曾有过电相互作用和磁相互作用的统一，造就了极其优美简洁的麦克斯韦电磁方程；我们也有过弱相互作用和电磁相互作用的统一，诞生了弱电统一理论。

于是，很多人尤其是相信宇宙简洁美的科学家们，自然也会问：弱电相互作用能不能跟强相互作用统一起来，成为大统一理论？甚至再进一步，弱电、强、引力相互作用全都统一起来，成为比如超弦理论。但到目前为止，这些问题都还没有解决。

第三个问题，关于希格斯粒子。

希格斯粒子是唯一一个已知自旋为0的“基本”粒子，当中是否有什么更深层的秘密？希格斯粒子赋给所有粒子质量，但其自身的质量又从那里而来 ？希格斯的质量会导致真空不稳定，这样的标准模型是对的吗？希格斯粒子和暗物质的关系又是什么？

另外，前面提到了电磁、强、弱三种相互作用，希格斯粒子还涉及两种全新的相互作用，叫自耦合 （希格斯粒子之间）和汤川耦合 （希格斯粒子与费米子之间），当中的大部分细节都仍是空白。

我们还有很多关于暗物质、反物质的问题 （例如：《》《》《》）。这种种的问题都告诉我们，标准模型并不是一个完备的理论，还有很多问题它没有也无法解决。

对此，我们未来的研究有两个大方向：

第一、研究新的理论。

比如我们对引力理论进行修改，避免暗物质、暗能量的引入。现阶段它们唯一的实验证据是天文观测，而这些天文观测实际上都关乎引力，或许存在一个或几个“正确”的引力理论修正方式。另外，我们也可能需要一个新的粒子物理理论，引入更大的物质—反物质不对称性来解释反物质消失之谜。

第二、寻找新的证据。

比如通过各种方式，在太空、在地下、在加速器或中微子设备中寻找更多关于暗物质、反物质、中微子等的新物理现象。

但新的观念、新的证据，需要通过新的实验指引我们往哪个方向去走。

中国下一代高能加速器：CEPC

解决的途径很多，其中一个最主要的路径是：下一代高能加速器。

其实粒子物理发展到现在，除了中微子振荡之外，标准模型的建立几乎都依赖于加速器。所以在未来，加速器不能说是唯一手段，但肯定是最主要的手段。

至于建什么样的加速器，存在各种选择 （直线、环形，电子、质子），各有各的可行性，包括科学意义、可扩展性、技术成熟度、经济性、时间进度等等。那么中国的高能物理走哪条路是对的？

2012年，我们发现对于中国最佳的技术路线和方案就是：先做环形正负电子对撞机，然后在完成它运行使命之后，在同一个隧道里做质子对撞，一道两用。

这个方案当时我们是世界上第一个提出来，面对了不少质疑，大部分人都认为电子没有意思，应该直接做质子。欧洲核子中心在那之后约半年的时间，也开始研究环形对撞机的方案，然后经过5年的研究，2019年他们最终宣布的最佳方案，跟我们的想法不谋而合——环形，先电子、后质子。

所以说尽管我们在标准模型方面还未有建树，但至少在高能物理未来发展的路线图上，我们走在了世界最前面。

这些年来，国际上都在进行高能物理的发展规划。

日本在90年代选了直线ILC，因为高能物理设备规模很大，一旦开船很难掉头，所以只能咬牙往前走。美国现在还在折腾，据说明年会做定案，可能会选择电子直线加速器或缪子对撞机。

我们选择的100公里环形CEPC，跟日本的ILC同样造价，但亮度高三倍，而且同时可以有两个探测器，所以我们可以获得6倍的希格斯粒子，相当于6倍的性价比。而和同样100公里的欧洲FCC-ee相比，亮度相当的情况下，造价又只是它的一半。

同时，它未来可以进行升级，用来做质子对撞、电子-质子对撞、重离子对撞等其他粒子物理实验。另外，它还是国际上最好的同步辐射光源，比世界其他同步辐射装置的能量高出1个量级以上而通量相当，一机多用。

无疑，这是性能、性价比、用途兼顾得最好的一个发展方案。

这个方案也展现了极为难得的多重机遇：

1. 希格斯粒子是全球共识最重要的粒子，而且希格斯粒子质量小，刚好在环形加速器还可以做的范围。

2. 欧美日眼下各有事忙，无暇他顾，欧洲核子中心2019年公布的FCC计划预计2038年建成，而我们2030年可完工，有十年的窗口期。

3. 我们中国有三十多年北京正负电子对撞机的经验。说实话，从加速器的角度来说，目前为止我们只做过250米周长的环形正负电子对撞机，别的没干过，没有经验。所以对这个CEPC方案，经过30多年折腾，我们是有基础的。实际上在过去8年的努力下，关键技术跟国际水平已经非常接近。

可以看到，高能所跟欧洲核子中心、美国费米直线加速器中心、日本的KEK等单位相比，虽然我们显然还做不到每个参数都比别人好，但即使有一点差距，也不是特别大。

当然，国情不同，它们实验室多，不需要一个实验室把什么都干完了，但我们中国暂时只有高能所一家，我们要不做就没有人做。

而且就像前面提到的，这样一个科学装置对中国整体的技术发展与应用有巨大的推动作用。无论是国内已有的技术更上一层楼，还是国内空白技术实现国产化，我们都已经进行了路径规划，尤其是高温超导、等离子体加速等的革命性关键技术。

历史上，对撞机技术曾催生了加速器的广泛应用。比如怀柔要建的同步辐射光源来源于环形对撞机，上海要建的100亿自由电子激光来源于直线对撞机。

而这些技术，又成了更多领域的基石。

例如同步辐射及散裂中子源，是材料结构与性能研究的利器；辐照效应，紧紧牵动着华为、紫光、比亚迪、东阳光等高科技企业在芯片、手机终端、锂电池、先进制造、医药等方面的研究；散裂中子源，催生了BNCT治疗技术，利用中子轰击癌细胞，精准、辐照损伤小，而且设备成本低，是目前最先进的癌症治疗手段之一。

但如果高能物理不领先，这些方面永远只能跟着别人跑。别人有了，我们再跟在后面建。即使指标有时略微领先，但技术的源头终究是国外，不是我们的原创。所以没有科学上的领先，就没有技术上的领先，只能被人卡脖子。我们唯有主动承担了风险，才能真正掌控整个关键技术。

过去，我们中国参加了国外的ITER、SKA、TMT等大科学装置，总共投入约100亿左右。所以现在中央提出来要建设一个由中国发起的大科学装置，CEPC如果能在360亿人民币的总造价中争取到国际贡献60亿，会是非常理想的候选者。

总的来说，我们相信中国现阶段建造这样一个加速器是没有问题的，需要推动相关企业跟我们一起在超导材料、超导腔、半导体、真空、电子学、电源等领域上努力，一起造就这个机遇，辐射中国的影响力，引领国际市场。

结语

粒子物理是人类文明的标志性成就之一，而我们正在追求从一席之地，走到全面领先。不管是北京正负电子对撞机、大亚湾实验、羊八井、慧眼卫星，我们这几十年来在一步步踏实积累，并抓紧机会往前推进。中华文明应该有可以载入史册的历史性科学成就，这个过程和成就也会给我们带来巨大的科学、经济、社会和政治效益。

END