王貽芳：粒子物理走到盡頭了嗎？

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授課老師：王貽芳，高山書院顧問委員會委員，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士，發展中國家科學院院士，中國科學院高能物理研究所所長

已經發現的那些粒子就是最基本的粒子了嗎？

弱電相互作用能不能跟強相互作用統一起來，成爲大統一理論？

希格斯粒子的質量從何而來？它和暗物質的關係又是什麼？

中國錯過了上世紀粒子物理的所有重大發現，如果想要趕上，也許只有在粒子物理未來研究方向上下硬功夫了。我們未來的研究有兩個大方向：一是研究新的理論，另外就是尋找新的證據。

要往這兩個目標上快速靠近，一個最主要的路徑是：藉助下一代高能加速器。

對於中國而言，最佳的技術路線和方案就是：先做環形正負電子對撞機，然後在完成它運行使命之後，在同一個隧道里做質子對撞，一道兩用。我們是世界上第一個提出來的。5年後，歐洲核子中心在2019年宣佈了他們的最佳方案，跟我們的想法不謀而合。

我們選擇的100公里環形CEPC，跟日本的ILC同樣造價，但亮度高三倍，而且同時可以有兩個探測器。和同樣100公里的歐洲FCC-ee相比，亮度相當的情況下，造價又只是它的一半。

經過30多年折騰，我們對這個CEPC方案是有基礎的。實際上在過去8年的努力下，關鍵技術跟國際水平已經非常接近。粒子物理是人類文明的標誌性成就之一，我們正在追求從一席之地，走到全面領先。

粒子物理研究自50年代以來取得了輝煌的成就，大約有1/3的諾貝爾獎跟它有關。

那麼大家很自然會問的一個問題是：粒子物理是不是快到盡頭了？中國錯過了上世紀粒子物理的所有重大發現，現在還有沒有可能趕上？還是就在這個人類文明發展最深刻的領域徹底放棄，不玩了？

如果我們還想玩，就要提得出問題，並給出相應的解決思路。那麼我們來看看粒子物理到底還有哪些科學問題？

盡頭前的疑問

第一個問題，關於基本粒子的2x3矩陣。

這些真的就是最基本的粒子了嗎？還是就像當初“無法分割的原子”一樣，存在着我們現在還不知道的更基本的內部結構？因爲這漂亮的對稱性，不禁讓我們聯想到會有一個更深層次的結構，確保它最後呈現出這樣一個對稱性。目前有許多科學家提出了一種理論，叫做複合模型，但可惜還不太成功，需要繼續努力。

第二個問題，關於相互作用的大統一。

歷史上，我們曾有過電相互作用和磁相互作用的統一，造就了極其優美簡潔的麥克斯韋電磁方程；我們也有過弱相互作用和電磁相互作用的統一，誕生了弱電統一理論。

於是，很多人尤其是相信宇宙簡潔美的科學家們，自然也會問：弱電相互作用能不能跟強相互作用統一起來，成爲大統一理論？甚至再進一步，弱電、強、引力相互作用全都統一起來，成爲比如超弦理論。但到目前爲止，這些問題都還沒有解決。

第三個問題，關於希格斯粒子。

希格斯粒子是唯一一個已知自旋爲0的“基本”粒子，當中是否有什麼更深層的秘密？希格斯粒子賦給所有粒子質量，但其自身的質量又從那裡而來 ？希格斯的質量會導致真空不穩定，這樣的標準模型是對的嗎？希格斯粒子和暗物質的關係又是什麼？

另外，前面提到了電磁、強、弱三種相互作用，希格斯粒子還涉及兩種全新的相互作用，叫自耦合 （希格斯粒子之間）和湯川耦合 （希格斯粒子與費米子之間），當中的大部分細節都仍是空白。

我們還有很多關於暗物質、反物質的問題 （例如：《》《》《》）。這種種的問題都告訴我們，標準模型並不是一個完備的理論，還有很多問題它沒有也無法解決。

對此，我們未來的研究有兩個大方向：

第一、研究新的理論。

比如我們對引力理論進行修改，避免暗物質、暗能量的引入。現階段它們唯一的實驗證據是天文觀測，而這些天文觀測實際上都關乎引力，或許存在一個或幾個“正確”的引力理論修正方式。另外，我們也可能需要一個新的粒子物理理論，引入更大的物質—反物質不對稱性來解釋反物質消失之謎。

第二、尋找新的證據。

比如通過各種方式，在太空、在地下、在加速器或中微子設備中尋找更多關於暗物質、反物質、中微子等的新物理現象。

但新的觀念、新的證據，需要通過新的實驗指引我們往哪個方向去走。

中國下一代高能加速器：CEPC

解決的途徑很多，其中一個最主要的路徑是：下一代高能加速器。

其實粒子物理髮展到現在，除了中微子振盪之外，標準模型的建立幾乎都依賴於加速器。所以在未來，加速器不能說是唯一手段，但肯定是最主要的手段。

至於建什麼樣的加速器，存在各種選擇 （直線、環形，電子、質子），各有各的可行性，包括科學意義、可擴展性、技術成熟度、經濟性、時間進度等等。那麼中國的高能物理走哪條路是對的？

2012年，我們發現對於中國最佳的技術路線和方案就是：先做環形正負電子對撞機，然後在完成它運行使命之後，在同一個隧道里做質子對撞，一道兩用。

這個方案當時我們是世界上第一個提出來，面對了不少質疑，大部分人都認爲電子沒有意思，應該直接做質子。歐洲核子中心在那之後約半年的時間，也開始研究環形對撞機的方案，然後經過5年的研究，2019年他們最終宣佈的最佳方案，跟我們的想法不謀而合——環形，先電子、後質子。

所以說盡管我們在標準模型方面還未有建樹，但至少在高能物理未來發展的路線圖上，我們走在了世界最前面。

這些年來，國際上都在進行高能物理的發展規劃。

日本在90年代選了直線ILC，因爲高能物理設備規模很大，一旦開船很難掉頭，所以只能咬牙往前走。美國現在還在折騰，據說明年會做定案，可能會選擇電子直線加速器或繆子對撞機。

我們選擇的100公里環形CEPC，跟日本的ILC同樣造價，但亮度高三倍，而且同時可以有兩個探測器，所以我們可以獲得6倍的希格斯粒子，相當於6倍的性價比。而和同樣100公里的歐洲FCC-ee相比，亮度相當的情況下，造價又只是它的一半。

同時，它未來可以進行升級，用來做質子對撞、電子-質子對撞、重離子對撞等其他粒子物理實驗。另外，它還是國際上最好的同步輻射光源，比世界其他同步輻射裝置的能量高出1個量級以上而通量相當，一機多用。

無疑，這是性能、性價比、用途兼顧得最好的一個發展方案。

這個方案也展現了極爲難得的多重機遇：

1. 希格斯粒子是全球共識最重要的粒子，而且希格斯粒子質量小，剛好在環形加速器還可以做的範圍。

2. 歐美日眼下各有事忙，無暇他顧，歐洲核子中心2019年公佈的FCC計劃預計2038年建成，而我們2030年可完工，有十年的窗口期。

3. 我們中國有三十多年北京正負電子對撞機的經驗。說實話，從加速器的角度來說，目前爲止我們只做過250米周長的環形正負電子對撞機，別的沒幹過，沒有經驗。所以對這個CEPC方案，經過30多年折騰，我們是有基礎的。實際上在過去8年的努力下，關鍵技術跟國際水平已經非常接近。

可以看到，高能所跟歐洲核子中心、美國費米直線加速器中心、日本的KEK等單位相比，雖然我們顯然還做不到每個參數都比別人好，但即使有一點差距，也不是特別大。

當然，國情不同，它們實驗室多，不需要一個實驗室把什麼都幹完了，但我們中國暫時只有高能所一家，我們要不做就沒有人做。

而且就像前面提到的，這樣一個科學裝置對中國整體的技術發展與應用有巨大的推動作用。無論是國內已有的技術更上一層樓，還是國內空白技術實現國產化，我們都已經進行了路徑規劃，尤其是高溫超導、等離子體加速等的革命性關鍵技術。

歷史上，對撞機技術曾催生了加速器的廣泛應用。比如懷柔要建的同步輻射光源來源於環形對撞機，上海要建的100億自由電子激光來源於直線對撞機。

而這些技術，又成了更多領域的基石。

例如同步輻射及散裂中子源，是材料結構與性能研究的利器；輻照效應，緊緊牽動着華爲、紫光、比亞迪、東陽光等高科技企業在芯片、手機終端、鋰電池、先進製造、醫藥等方面的研究；散裂中子源，催生了BNCT治療技術，利用中子轟擊癌細胞，精準、輻照損傷小，而且設備成本低，是目前最先進的癌症治療手段之一。

但如果高能物理不領先，這些方面永遠只能跟着別人跑。別人有了，我們再跟在後面建。即使指標有時略微領先，但技術的源頭終究是國外，不是我們的原創。所以沒有科學上的領先，就沒有技術上的領先，只能被人卡脖子。我們唯有主動承擔了風險，才能真正掌控整個關鍵技術。

過去，我們中國參加了國外的ITER、SKA、TMT等大科學裝置，總共投入約100億左右。所以現在中央提出來要建設一個由中國發起的大科學裝置，CEPC如果能在360億人民幣的總造價中爭取到國際貢獻60億，會是非常理想的候選者。

總的來說，我們相信中國現階段建造這樣一個加速器是沒有問題的，需要推動相關企業跟我們一起在超導材料、超導腔、半導體、真空、電子學、電源等領域上努力，一起造就這個機遇，輻射中國的影響力，引領國際市場。

結語

粒子物理是人類文明的標誌性成就之一，而我們正在追求從一席之地，走到全面領先。不管是北京正負電子對撞機、大亞灣實驗、羊八井、慧眼衛星，我們這幾十年來在一步步踏實積累，並抓緊機會往前推進。中華文明應該有可以載入史冊的歷史性科學成就，這個過程和成就也會給我們帶來巨大的科學、經濟、社會和政治效益。

END