王贻芳院士：粒子物理到尽头了吗？中国有哪些作为？
文摘
科学
2024-08-05 17:01
北京
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*以下内容来源于王贻芳院士在高山书院2024年北方大区日学习活动上的分享。
授课导师：王贻芳，高山书院顾问委员会委员，中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士、美国科学院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、发展中国家科学院院士
2000多年前，古希腊的哲学家、科学家就在思考有关宇宙起源和本质的问题，几乎在同一个时候，中国的思想家也思考了类似的问题。无论对错，这些思考都达到了一个新高度。一个文明能有这些伟大的人物，我们都为之骄傲。可惜到了近代，我们对物质世界、宇宙的理解与思考远远落后于西方人。现在的相关知识与理论，近90%以上都来源于西方的思想家和科学家。我们自然也希望能在科学的深度与高度上，也能像文学、艺术、音乐、美术、体育一样，跟西方切磋切磋。经常有人问：科学有什么用？其实科学就是比脑袋、比思想，看谁更深刻、更前瞻，也不见得一定要有啥用。作为一个伟大的文明，就应该有类似的文明果实，而不是说非得从科学中获得些什么才搞科学。事实上，如果是带着功利的初心去做，研究一定做不好，因为你会不断算计所谓的付出和收获，看它们是否成比例，而一旦有了这样的计算，就会陷入犹豫，甚至放弃，尤其是像科学这种难以直接计算产出的事。粒子物理，也称高能物理，是对分子、原子、原子核研究的自然发展与深化。那么对物质的基本结构，我们是怎么进行研究的？最早靠的是显微镜，可以看到的最小尺度为10-7米；然后是电子显微镜，最小观察尺度推进了三个量级，到达10-10米；但正常情况下的电子能量终究是有限的，所以需要依靠加速器把电子提升到更高的能量，即更短的波长。如此一来，可以观测到的最小尺寸又提升了5个量级，约10-15米。未来再往下也一样，由于测不准原理，为了看到更小的结构，只有提高能量、减小波长，别无他法，因为我们就需要更高能量的“探针（光子/电子/质子）”——加速器和更复杂的“眼睛（谱仪）” ——探测器。这两者就是我们当前研究前沿微观世界最基本的手段。古希腊时期，人们认为构成物质世界的最小单元是原子。到了十九世纪末、二十世纪初，物质更精细的结构被发现了，就是中学时特别熟悉的卢瑟福行星模型——原子核里有质子和中子，而电子在外面绕着它转。直到二十世纪五六十年代，人们在加速器实验中发现数百个新粒子。这些新粒子无法融入到当时那个漂亮的电子模型体系下，一时引起了科学界的大量研究和讨论。1964年，加州理工学院的盖尔曼教授提出了一个极其简单的模型，他认为粒子只有三种内部结构，他称之为夸克——上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）。这些夸克可以以两个夸克（一正一反）构成一个介子，也可以以三个夸克构成一个重子。在这两种模式下，这些夸克的不同排列组合给出了当时发现的几百种粒子的内部结构组成，并且成功预言了几种当时还没发现，但后来被证实的新粒子。无疑，夸克模型取得了巨大的成功。1969年，盖尔曼教授获得了诺贝尔奖。但夸克模型同时也带来了很多疑问，比如：为什么粒子不能由四个、五个甚至更多夸克组成？另外，为什么夸克没有第4种、第5种、第6种？1974年，丁肇中发现了一个全新的粒子，也就是J粒子。由于J粒子不能被三种夸克所解释，第四种夸克，即粲夸克（c）也浮出了水面。丁肇中也因此获得了1976年的诺贝尔奖。再后来，第五种、第六种夸克，即底夸克（b）、顶夸克（t）也相应被发现。除了夸克之外，基本粒子另外还有一大类，叫轻子。我们发现的第一种基本粒子——1897年发现的电子——就是一种轻子。后来在1936年，我们发现了另一种和电子极其相似（除了质量以外其他性质都一样）的轻子，取名为μ子。1975年，又发现了一个类似但比电子、μ子都更重的轻子，叫τ子。事实上夸克的情况也类似——上、下夸克是最轻的第一代，而粲、奇异夸克，以及顶、底夸克，分别对应着一个性质雷同，但越来越重的第二、第三代。另外1930年泡利从β衰变“能量不守恒”的现象中，提出了一种近乎隐形的新基本粒子。这种粒子悄悄“拐”走了电子的能量，并在1956年的时候被观测到，它就是中微子。跟电子对应的中微子叫电子中微子，而跟μ子、τ子对应的分别叫μ中微子、τ中微子。当然，很多人会问，既然有了第一、第二、第三代，会不会也有第四代？美国斯坦福直线加速器和欧洲核子中心27公里长的大型正负电子对撞机发现，中微子只有三代，也就意味着轻子、夸克也只有三代，没有第四代。所有的基本粒子似乎全在这儿了，至于为什么，目前为止我们还没有搞清楚。在这个模型下，物质世界简洁、对称得极其美妙。各种物质都可以由这些基本粒子搭建起来。这些粒子之间彼此产生联系，都是通过相互作用力——或者传递这些相互作用的粒子（场）实现的。我们现在已经知道：传递电磁相互作用的是光子，传递强相互作用的是胶子，传递弱相互作用的是W和Z玻色子。除此之外，2012年，标准模型的一个灵魂粒子——希格斯粒子，终于被发现。一直以来，基本粒子重量不一致背后的机制成谜，而希格斯粒子关系到所有粒子质量的起源，在全世界上万名科学家、工程师30多年的努力下，终于被破解。这是粒子物理一个重大的历史性时刻。而在这个过程中，这样一个看似不着边际的研究产生了一个彻底颠覆人类文明生活的关键技术——万维网，即基于互联网的文件、数据交互传输方案和技术。我们现在所用的网站、浏览器及其底层技术等就是欧洲核子中心的科学家发明的。所以说，如果非要计算科研的用处或性价比的话，光是这一项成果以及它带动的经济产出，就已经远远超过此前人类在粒子物理及整个基础科学研究的全部投入。到目前为止，粒子物理标准模型获得了差不多三十个诺贝尔奖，是人类文明发展的最高点之一，或者说是目前已知的最漂亮的科学理论之一。那么，粒子物理到尽头了吗？未来的发展方向是什么？我们要解决的问题其实还有很多。标准模型里的这些粒子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？这个模型有着如此漂亮的对称性，不禁让我们联想到，会不会是有一个更深层次的结构，确保了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。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。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哪里而来？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。我们知道，宇宙中存在着大量的暗物质和反物质，而粒子物理标准模型里没有暗物质粒子的位置，也无法解释为什么宇宙中反物质会消失的问题。
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。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。到目前为止，粒子物理领域出现了这么多的重大发现和这么多的诺贝尔奖，却跟中国一点关系都没有。所以八十年代初，邓小平拍板建造了北京正负电子对撞机。在这之后，我国的很多技术水平一下子提了起来，填补了二三十年的差距。科学发现上也有一些重大突破。关于夸克模型，我们刚才提出了一个疑问：为什么只有两个或三个夸克组合而成的粒子？2013年，我们成功看到了第一个由四个夸克（两个c、一个u、一个d）组成的粒子，国际上主要的科学媒体都做了报道，甚至在《物理》杂志2013年国际物理学十一项重要成果中位列榜首，在世界科学发展史上留下了我们的足迹。在标准模型中，中微子的存在一直相当奇特。除了它难以探测、幽灵般的存在以外，性质也很怪异，它只存在左旋，没有右旋——换言之，它造成了弱相互作用下的宇称不守恒。在粒子物理的标准模型中，根据螺旋性测量，中微子的质量被假设为0。但在宇宙学的标准模型中，宇宙今天形成的大尺度结构以及不均匀的密度，要求中微子质量不为0。那么中微子质量到底是不是0？1950年代，意大利物理学家庞特科沃指出：中微子可以发生振荡，即从一种中微子变到另外一种中微子；当中微子发生振荡，振荡的几率跟中微子的质量有关——质量如果等于0，中微子不会振荡。反之，如果发现了振荡，就意味着中微子是有质量的，如果能把振荡的数据测出来，就可以得出中微子的相对质量或者质量差。1998年，日本的超级神冈探测器观测到了大气中微子振荡；2002年，加拿大萨德伯里观测站也观测到太阳中微子振荡，并给出了中微子的质量差。既然我们看到了两种中微子的振荡：θ₁₂，θ₂₃，很自然，我们也好奇中微子θ₁₃的振荡情况是怎样的。当时大部分的中微子振荡模型都认为 θ₁₃为0，很多理论物理学家也倾向于相信宇宙符合优美的数学形式。但显然，理论归理论、美学归美学，科学需要实证。于是我们开始了大亚湾实验。2012年3月8日，成功探测到了新的中微子振荡模式，并且分析了中微子振荡随距离的变化。这项发现在国际上产生了很大的影响，也被美国《科学》杂志（Science）列为2012年度十大科学突破。2015年，江门中微子实验启动建设。科学目标确定为：一、了解中微子的质量顺序。前面提到的中微子实验，最后测出的都是中微子质量差的绝对值而不是其本身的相对质量。此外，我们还可以研究更多中微子现象，比如超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等等。未来，还能对实验进行改造，转到测量中微子的绝对质量，判定中微子是否是其自身的反粒子等等。在江门中微子探测器的建设过程中，我们克服了难以想象的技术困难。比如我们自主研发的国产光电倍增管，能够将一个光子转换为一个电子的效率从传统的20%提升到30%。技术水平达到国际领先地位，同时还设立了研究院推进其它的应用方向，如高速光电器件等等。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，要解决以上问题，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，那么中国的高能物理该走哪条路？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。虽然这个方案一开始受到了很多质疑，但5年后，欧洲核子中心也最终宣布，他们认为，建环形加速器的最佳方案与我们一致。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。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，而我们预计2028年可完工，有十年的窗口期。3. 中国有三十多年北京正负电子对撞机的经验。并且，在过去8年的努力下，关键技术跟国际水平已经非常接近。更重要的是，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。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，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。我们唯有主动承担风险，才能真正掌控整个关键技术。粒子物理是人类文明的标志性成就之一，中国正在追求从一席之地，走到全面领先。![]()
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