王貽芳，實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，俄羅斯科學(xué)院外籍院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士。 現(xiàn) 任中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)。 研究方向?yàn)楦吣芪锢韺?shí)驗(yàn)。
千百年來(lái)，人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思考與探索一直引領(lǐng)著文明和科學(xué)的發(fā)展。
近代以來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次有分子、原子、原子核、核子、夸克等，并在各層次分別發(fā)展出化學(xué)、原子物理、凝聚態(tài)物理、原子核物理、粒子物理等分支學(xué)科，構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)的龐大體系。
其中粒子物理（有時(shí)也稱為高能物理）自20世紀(jì)50年代開始從原子核物理中獨(dú)立出來(lái)，成為一門蓬勃發(fā)展、成績(jī)輝煌的前沿學(xué)科，相關(guān)成果目前獲得約1/3的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，引領(lǐng)著物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索和研究的最前沿。
粒子物理的研究目標(biāo)及方法、特點(diǎn)
粒子物理研究的目標(biāo)是物質(zhì)的最小組分及其相互作用規(guī)律。
自20世紀(jì)50-60年代開始，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了大量新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，據(jù)此在20世紀(jì)60-70年代建立了一個(gè)基本的理論框架，以理解和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就是粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，其主要預(yù)言在20世紀(jì)70-90年代得到驗(yàn)證。
在隨后的三十多年，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性得到確認(rèn)，缺失的粒子及相關(guān)理論預(yù)言被逐個(gè)發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證，精度達(dá)到前所未有的千分之一左右。
標(biāo)準(zhǔn)模型成為人類歷史上最成功、最漂亮的科學(xué)理論之一。
然而，正是在這30年里，人們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)模型并不完備，標(biāo)準(zhǔn)模型只是一個(gè)在低能下（~1000倍質(zhì)子質(zhì)量以內(nèi)）有效的近似理論，應(yīng)該還存在一個(gè)更高能量、更深層次的物理世界。
例如，中微子質(zhì)量的存在就是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型現(xiàn)有理論的一個(gè)破壞；夸克和輕子之間的味對(duì)稱預(yù)示著還有一個(gè)更深層次的結(jié)構(gòu)；真空在標(biāo)準(zhǔn)模型中不穩(wěn)定；暗物質(zhì)粒子在標(biāo)準(zhǔn)模型中不存在；雖然希格斯粒子賦予所有粒子質(zhì)量，但其自身質(zhì)量來(lái)源未知，且其質(zhì)量非同尋常得??；各種對(duì)稱性破缺的來(lái)源未知，幅度大小也不能解釋宇宙中“反物質(zhì)消失”之謎，等。
人們?cè)噲D建立一個(gè)更宏大的理論，統(tǒng)一描述各種相互作用，就像麥克斯韋統(tǒng)一描述了電和磁相互作用、標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)一描述了電磁和弱相互作用一樣。
如超對(duì)稱理論試圖包括弱電和強(qiáng)相互作用，超弦理論試圖再將引力相互作用也包括進(jìn)來(lái)。
還有學(xué)者建立了復(fù)合模型描述夸克和輕子的結(jié)構(gòu)，就像夸克模型描述核子結(jié)構(gòu)一樣。
由于缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的明確指引和驗(yàn)證，目前這些理論模型要么失敗了，要么還無(wú)法得到確認(rèn)。
顯然，我們需要像20世紀(jì)50-60年代一樣，去尋找新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，指引下一步理論上的努力。
科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，實(shí)驗(yàn)上解決這些問(wèn)題首先需要理解希格斯粒子及其質(zhì)量；其次需要尋找超對(duì)稱粒子及其效應(yīng)，研究中微子性質(zhì)及其與標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)系；再次，需要找到暗物質(zhì)粒子。
自然，跟其他學(xué)科一樣，還有許多相對(duì)次要的問(wèn)題需要解決，如精確測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)模型的所有參數(shù)，通過(guò)各種方式直接或間接地檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型；精確檢驗(yàn)量子色動(dòng)力學(xué)并發(fā)現(xiàn)其預(yù)言的各種粒子，完整理解強(qiáng)子譜，定量理解并計(jì)算核子結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量；等。
這些研究需要依賴科學(xué)家們自行設(shè)計(jì)研制的大型設(shè)備，主要分探測(cè)器和加速器兩大類。
其中探測(cè)器就像人的眼睛，幫助觀察和測(cè)量物理過(guò)程。
加速器就像顯微鏡，用基本粒子如電子和質(zhì)子代替光學(xué)顯微鏡中的光子或電子顯微鏡中的電子，來(lái)探究和觀察樣本（粒子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
對(duì)撞機(jī)是效率最高、能力最強(qiáng)的一種加速器，能將全部能量用來(lái)“擊碎粒子的外殼”，讓我們看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
自20世紀(jì)60年代發(fā)明以來(lái)，對(duì)撞機(jī)貢獻(xiàn)了高能物理實(shí)驗(yàn)的主要成果，目前及未來(lái)仍然是主要的研究手段。
早年，各國(guó)科學(xué)家都自行研制自己的加速器，美蘇歐日等都各有多臺(tái)性能、目標(biāo)不同的大型高能物理加速器，其水平和能力基本代表了各國(guó)在國(guó)際高能物理領(lǐng)域甚至整個(gè)科學(xué)界的競(jìng)爭(zhēng)地位。
隨著科學(xué)目標(biāo)的不斷集中，加速器的能量和造價(jià)不斷提高，基本上一個(gè)國(guó)家只能有一臺(tái)高能加速器，甚至需要幾個(gè)國(guó)家聯(lián)合起來(lái)建造。
這一方面可以集中經(jīng)費(fèi)，減少重復(fù)投資，提高設(shè)備的性能和效益；另一方面也凸顯規(guī)劃的重要性。
如果選擇錯(cuò)誤或者研制失敗，整個(gè)領(lǐng)域都會(huì)受到重創(chuàng)。這種慘痛教訓(xùn)過(guò)去有過(guò)，尤其以美國(guó)為甚。
高能物理的這種集中全領(lǐng)域多年的經(jīng)費(fèi)建造一臺(tái)大家共用設(shè)備（加速器）的方式，一方面引領(lǐng)了科學(xué)研究更加依賴大型設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，提高了設(shè)備和經(jīng)費(fèi)的使用效益，另一方面也使它成為眾矢之的，經(jīng)常被誤認(rèn)為會(huì)擠占其他領(lǐng)域經(jīng)費(fèi)。
事實(shí)上，無(wú)論是考慮多年總和還是年人均投資強(qiáng)度，高能物理的經(jīng)費(fèi)均未超過(guò)其他類似的二級(jí)學(xué)科，且其對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)以科學(xué)成就、公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（同步輻射、自由電子激光、散裂中子源等）和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)為代表，遠(yuǎn)超迄今為止對(duì)它的全部投入。
粒子物理研究一方面是科學(xué)的最前沿，另一方面也是技術(shù)的最前沿，其國(guó)際地位和能力在一定程度上代表著國(guó)家的科技發(fā)展水平。
有能力提出粒子物理領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題并提出解決思路與方案，自行設(shè)計(jì)并研制相關(guān)大型設(shè)備，開拓新的技術(shù)路線，是成為粒子物理領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先國(guó)家的標(biāo)志，也是中國(guó)的粒子物理學(xué)界過(guò)去70年的努力目標(biāo)。
中國(guó)粒子物理的基礎(chǔ)、成就與差距
新中國(guó)的粒子物理研究基本與國(guó)際同時(shí)起步，20世紀(jì)50年代參加了蘇聯(lián)的杜布納聯(lián)合核子研究所，與歐洲核子中心形成一定程度的競(jìng)爭(zhēng)。
20世紀(jì)60年代初因?yàn)檎卧蛲顺龊?，中?guó)政府曾允諾將原來(lái)每年3000萬(wàn)的會(huì)員費(fèi)拿出來(lái)建一臺(tái)自己的高能加速器。
這之后經(jīng)歷了政治動(dòng)蕩、方案搖擺、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)困難、領(lǐng)域發(fā)展情況變化、反對(duì)意見紛爭(zhēng)等各種波折之后，直到20世紀(jì)80年代初，才由鄧小平同志在意見紛呈中拍板定下了總投資2.4億人民幣的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、北京譜儀及北京同步輻射裝置（BEPC）。
中國(guó)首臺(tái)高能加速器裝置在2~5 GeV（約2~5倍質(zhì)子質(zhì)量）的能量范圍內(nèi)超過(guò)美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的SPEAR加速器（其20世紀(jì)70年代的成果曾獲得2個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)）關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)一個(gè)量級(jí)，迫使其停止運(yùn)行，科學(xué)家們轉(zhuǎn)到中國(guó)參加北京譜儀實(shí)驗(yàn)。
2009年，BEPC完成了一次重大設(shè)備改造，總投資6.4億，技術(shù)指標(biāo)繼續(xù)保持國(guó)際領(lǐng)先。
這臺(tái)先后共投資8.8億人民幣的設(shè)備還將運(yùn)行10年，科學(xué)壽命達(dá)40多年。
迄今為止獲得5項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，在國(guó)際頂級(jí)刊物發(fā)表300多篇文章，成為國(guó)際高能物理和加速器技術(shù)的重要基地。
BEPC培育拉動(dòng)了近百家國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)水平，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)80%以上，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的這支隊(duì)伍也是建設(shè)上海光源、中國(guó)散裂中子源、北京高能同步輻射光源、大亞灣和江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）等國(guó)內(nèi)大科學(xué)旗艦裝置的骨干力量。
這段歷史和成績(jī)?cè)诤艽蟪潭壬险故玖酥袊?guó)高能物理發(fā)展的艱辛和高能物理投資的特點(diǎn)與效益。
事實(shí)上，國(guó)內(nèi)其他領(lǐng)域設(shè)備投資上億的有不少，設(shè)備能有幾十年壽命的大概不多，而BEPC基本上是2010年前整個(gè)中國(guó)對(duì)高能物理的主要投資。
自20世紀(jì)50年代開始，中國(guó)科學(xué)家利用國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)，開辟了另一條低成本的研究路線：高海拔宇宙線研究。
從云南、西藏到四川，研究宇宙線的能譜、成分、起源和加速機(jī)制，研究伽馬射線天文，尋找暗物質(zhì)粒子，逐漸形成了自己的方向與特色。
20世紀(jì)90年代，在西藏羊八井，中日合作建設(shè)了ASγ實(shí)驗(yàn)，中意合作建設(shè)了ARGO實(shí)驗(yàn)，取得許多重要成果。
21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家提出了一個(gè)具有獨(dú)特思路的方案——大型高海拔大氣簇射觀測(cè)站（LHAASO）。
經(jīng)過(guò)10年左右的設(shè)計(jì)、預(yù)研和5年的建設(shè)，世界領(lǐng)先的LHAASO實(shí)驗(yàn)即將在四川稻城完成，成為該領(lǐng)域的旗艦裝置。
由于其超高的靈敏度和優(yōu)秀的建造質(zhì)量，部分探測(cè)器運(yùn)行半年之后，就在伽馬天文方面獲得重要成果，表明其巨大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力。
未來(lái)，中國(guó)在宇宙線和伽馬天文領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先指日可待。
新世紀(jì)開始，中國(guó)的粒子物理研究在過(guò)去的基礎(chǔ)與積累上開始加速，新的研究方向開始出現(xiàn)。
大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)利用大亞灣核反應(yīng)堆功率高、附近有山的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以創(chuàng)新性的獨(dú)特方案、世界最高的精度尋找中微子振蕩（θ13），吸引了上百位國(guó)際合作者參加。
在各方面的努力和支持下，經(jīng)過(guò)8年的方案準(zhǔn)備、技術(shù)預(yù)研和探測(cè)器研制，2011年底正式運(yùn)行取數(shù)。
3個(gè)月后，就發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，精確測(cè)得其振幅sin22θ13，獲得大量國(guó)際贊譽(yù)和獎(jiǎng)項(xiàng)。
大亞灣實(shí)驗(yàn)成為中國(guó)高能物理成績(jī)和進(jìn)步的標(biāo)志之一。
在此基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們延續(xù)反應(yīng)堆中微子的研究路線，依據(jù)在大亞灣實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的液體閃爍體技術(shù)，提出了江門中微子實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是研究中微子其他的未知性質(zhì)，也通過(guò)太陽(yáng)、地球、超新星中微子研究天體物理。
江門中微子實(shí)驗(yàn)吸引了300多位國(guó)際合作者參加，2008年提出方案，2015年開始建設(shè)，計(jì)劃2022年建成，設(shè)計(jì)科學(xué)壽命30年。
這是國(guó)際上基于大亞灣實(shí)驗(yàn)成果啟動(dòng)的3個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)之一，是我們?cè)谧钪卮蟮暮诵目茖W(xué)問(wèn)題上，再一次開展的激烈國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。
大亞灣實(shí)驗(yàn)的成功，給了我們信心和經(jīng)驗(yàn)，相信江門中微子實(shí)驗(yàn)也不會(huì)令人失望。
暗物質(zhì)粒子尋找是目前國(guó)際粒子物理研究的熱點(diǎn)之一，全世界有幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)策劃、運(yùn)行中，或已經(jīng)完成。
中國(guó)科學(xué)家在四川設(shè)計(jì)建造了世界最深的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，具有建造最靈敏的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的潛力。上海交通大學(xué)的PandaX和清華大學(xué)的CEDX實(shí)驗(yàn)均完成了其首期實(shí)驗(yàn)，具有很大的國(guó)際影響。
這些國(guó)內(nèi)項(xiàng)目也吸引了國(guó)際參與并滿足了以下條件：一是科學(xué)意義足夠重大；二是有自己的創(chuàng)新方案并掌握相關(guān)技術(shù)；三是有足夠的經(jīng)費(fèi)支持和相關(guān)隊(duì)伍。
為減輕經(jīng)費(fèi)壓力，分散科學(xué)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，增加研究人員的受益面和研究方向與課題的覆蓋面，確保不缺席任何重大突破與成果，以相對(duì)較少的經(jīng)費(fèi)參與國(guó)外項(xiàng)目，爭(zhēng)取在其中起重要甚至主導(dǎo)作用是世界各國(guó)的通常做法。
因此，國(guó)際合作在高能物理研究中一直居于核心地位。
自20世紀(jì)70年代末，中國(guó)科學(xué)家就開始積極參與國(guó)際上的各種實(shí)驗(yàn)。
早期主要是派人學(xué)習(xí)，并盡可能地參與探測(cè)器的批量制造和物理數(shù)據(jù)分析，如1970-1980年德國(guó)DESY的Mark-J實(shí)驗(yàn)，1980-1990年歐洲核子中心的L3、ALEPH實(shí)驗(yàn)，1990-2000年日本和美國(guó)的B-工廠實(shí)驗(yàn)，1990-2020年歐洲核子中心的AMS、ATLAS、CMS、LHCb實(shí)驗(yàn)等。
雖然我們努力參與這些實(shí)驗(yàn)，也對(duì)重要實(shí)驗(yàn)的物理成果有貢獻(xiàn)，但與國(guó)際上主要國(guó)家的國(guó)際參與度相比，我們參與的實(shí)驗(yàn)較少，投資份額較低，地位不夠重要，與大國(guó)地位不太相符，影響了中國(guó)形象，也影響了吸引國(guó)際合作者參與我們國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)的成效。
總之，中國(guó)的高能物理研究從20世紀(jì)80年代起步，經(jīng)過(guò)40多年的努力，完成了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、大亞灣中微子振蕩、錦屏暗物質(zhì)尋找、羊八井宇宙線觀測(cè)等一系列國(guó)際著名實(shí)驗(yàn)，LHAASO和江門中微子實(shí)驗(yàn)建成后將使中國(guó)在宇宙線和中微子研究方面領(lǐng)先國(guó)際，實(shí)現(xiàn)了鄧小平同志要求的“在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”的目標(biāo)。
但是也應(yīng)該看到，中國(guó)現(xiàn)在也只是“一席之地”而已，中國(guó)的粒子物理研究整體還處于跟跑或并跑階段，特別是高能物理的核心研究方向——高能量前沿與國(guó)際領(lǐng)先水平差距較大。
由于歷史原因，我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的建立沒有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，幾十項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與中國(guó)無(wú)緣。
在加速器和探測(cè)器等核心技術(shù)方面少有實(shí)質(zhì)性的原創(chuàng)貢獻(xiàn)，技術(shù)輸出很少。
中國(guó)的科學(xué)家在國(guó)際上還沒有獲得重大影響力，尚未通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得國(guó)際大型實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目的主要領(lǐng)導(dǎo)位置，有影響的學(xué)界領(lǐng)袖太少，各種大小國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)獲得較少。
面對(duì)未來(lái)，如何采取更大膽有效的步驟，制定十四五和2035年遠(yuǎn)景規(guī)劃，努力在整體上趕超國(guó)際先進(jìn)水平，是我們面臨的核心問(wèn)題。
本文節(jié)選自《科技導(dǎo)報(bào)》2021年第3期，原文標(biāo)題為《探究物質(zhì)最深層次的物理規(guī)律：中國(guó)粒子物理發(fā)展規(guī)劃的思考》，歡迎訂閱查看。
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