王貽芳，阮曼奇

中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

探究物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)
——從中微子和正負電子對撞談起

王貽芳?，阮曼奇

中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

首先對粒子物理的基本目標、實驗方法、研究現(xiàn)狀以及粒子標準模型進行了簡要介紹。解釋了為何尋求超出標準模型的物理信號是現(xiàn)階段物理學(xué)研究的核心任務(wù)。接著著重介紹了首個在粒子物理實驗中被證實的超出標準模型的實驗信號、中微子振蕩及其實驗測量，以及通向新物理原理的探針——希格斯(Higgs)玻色子。最后，介紹了高能物理實驗設(shè)施，特別是現(xiàn)有的北京正負電子對撞機項目和未來的環(huán)形正負電子對撞機項目。對于后者，除了明晰其突出的物理學(xué)意義和物理學(xué)性能，還闡述了其對科學(xué)技術(shù)的促進作用。

粒子物理；標準模型；中微子；希格斯玻色子；環(huán)形正負電子對撞機；技術(shù)促進作用

1 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)家們就在思考我們的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，繼而從空間想到了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。芝諾(公元前490—公元前425年)認為空間是無限可分的(連續(xù)的)；留基伯(約公元前500—公元前440年)則認為空間不是無限可分的，而是由無數(shù)“不可分”的微粒組成的。德謨克利特(約公元前460年—370年)認為世界由空虛的空間和物質(zhì)組成，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(公元前384—公元前322年)進一步提出物質(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(約公元前571—公元前471年)說，“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。左丘明(約公元前566—公元前451年)認為“以土與金、木、水、火雜以生百物”。莊子(約公元前369—公元前286年)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，人類文明發(fā)展實在是件很有意思的事情。

圖1 道爾頓和他最初使用的符號

真正具有現(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(圖1)提出物質(zhì)世界的最小單位是原子，原子是單一的、獨立的以及不可被分割的，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，隨后的實驗發(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?茨威格各自獨立提出了中子、質(zhì)子這一類強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，隨著這種認識的深入而開發(fā)出各種技術(shù)，極大地改變了人類的生活乃至世界的面貌。

2 粒子物理及其研究的基本方法

粒子物理是20世紀50年代才從原子核物理中獨立出來的一門新學(xué)科，它研究的是物質(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)，肉眼看不到，人們就發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，都是利用光與靶物質(zhì)“碰撞”。為了看清楚更小的結(jié)構(gòu)，人們發(fā)明了電子顯微鏡(比光學(xué)顯微鏡又高1000倍)，原理是利用電子與靶物質(zhì)“碰撞”(圖2)。

圖2 光學(xué)顯微鏡(左圖)和電子顯微鏡(右圖)

如果探索更小的結(jié)構(gòu)，我們必須借助粒子加速器，比如通過加速電子到很高能量，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叫譜儀來代替眼睛。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，并將整個過程重建出來(圖3)。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驗不需要加速器，比如宇宙線實驗(地面、高空、太空)、部分中微子實驗等等，但是所有的實驗都需要探測器。

圖3 環(huán)形正負電子對撞機基線探測器(左圖)以及其上模擬的物理事例(右圖)。該探測器的尺度在10 m量級，其內(nèi)安裝了大量精密探測系統(tǒng)

粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)有非常密切的關(guān)系。在大爆炸宇宙學(xué)模型中，隨著時間的回溯，宇宙的尺度越來越小，而基本粒子的行為就顯得越來越重要。事實上，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驗手段也有很多類似的地方。

粒子加速器對其他學(xué)科的研究也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可以探索蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、研究新的藥物和材料，為生物學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域提供了重要的觀測手段。

3 粒子物理的標準模型和Higgs粒子

粒子物理的標準模型(圖4)告訴我們，物質(zhì)是由三代輕子和夸克構(gòu)成，即6種輕子和6種夸克。它還描述了基本粒子之間的相互作用，即強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。在標準模型看來，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)進行相互作用，使得整個物質(zhì)世界構(gòu)成一個有機的整體。另外，標準模型還構(gòu)造了一個Higgs場，以賦予標準模型中基本粒子的質(zhì)量。

圖4 粒子物理標準模型理論框架內(nèi)的基本粒子

粒子物理標準模型以令人驚嘆的精確度，準確預(yù)言和詮釋了幾乎所有加速器實驗上能觀測到的實驗現(xiàn)象，是極為成功的理論模型。2012年，在歐洲核子中心的大型強子對撞機上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子，它的性質(zhì)和標準模型的預(yù)言高度吻合。至此，標準模型預(yù)言的粒子全部被找到，粒子譜完備了。

Higgs粒子的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)無疑是標準模型的巨大成功，但是標準模型很難被認為是一個終極理論。首先，標準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：標準模型預(yù)言所有費米子的質(zhì)量都是通過同樣的機制產(chǎn)生，而費米子的質(zhì)量差可高達13個量級。這就好比姐妹兩人的體重差距懸殊，很難相信她們是同一父母所生。然后，標準模型中還有真空穩(wěn)定性問題、自然性問題等等。最后，在對撞機實驗之外，尚有大量標準模型無法解釋的現(xiàn)象，比如宇宙中的暗物質(zhì)、暗能量、暴脹和中微子震蕩等現(xiàn)象。凡此種種，使得人們普遍相信標準模型不是粒子物理的終極理論，而只是一個更加基礎(chǔ)理論的低能有效近似。那么，發(fā)掘出標準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，在粒子物理實驗中已經(jīng)明確觀測到中微子振蕩現(xiàn)象，說明自然界中的中微子是有質(zhì)量的。這和標準模型的預(yù)言是不一致的。換言之，人們已經(jīng)明確觀測到了超出標準模型的新物理。在此，我們對這一有趣發(fā)現(xiàn)進行一下回顧。

4 幽靈粒子——中微子

12種構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子中有3種是中微子，因此它在粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)研究中占有重要的地位。中微子存在于我們周圍，天上的超新星、銀河系、太陽，地上的反應(yīng)堆、加速器，包括地球本身也產(chǎn)生中微子，甚至我們每個人的身體也無時無刻不在發(fā)射中微子，每人每天大約發(fā)射3億4000萬個中微子。 日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟?麥克唐納兩位物理學(xué)家，獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎，是因為他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，該發(fā)現(xiàn)表明中微子擁有質(zhì)量。

在基本粒子中我們對于中微子知之甚少，技術(shù)發(fā)展到今天可以通過實驗看到中微子，使得研究它成為可能，而在這之前要想對中微子進行研究還是比較困難的。研究發(fā)現(xiàn)中微子只有左旋沒有右旋，這種奇怪的現(xiàn)象是造成弱相互作用不守恒的主要原因。至于其產(chǎn)生機制還需要進行更深入的研究，這將是個了不起的工作。宇宙中的中微子和光子一樣多，在整個宇宙中彌漫著大約每立方厘米300個中微子！如果中微子具有質(zhì)量，哪怕僅有一點點也將對宇宙的形成和演化產(chǎn)生重大的作用，這也是科學(xué)家對中微子感興趣的原因之一。中微子是粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)研究的熱點和交叉。在中微子研究中，核心問題是質(zhì)量，關(guān)系到宇宙變成今天這樣，早期從大爆炸到現(xiàn)在的過程是怎樣演變的。

在中微子的研究中，不得不提到一位意大利物理學(xué)家，他是費米的學(xué)生Bruno Pontecorvo(1913—1993)，他信仰共產(chǎn)主義并參與了曼哈頓計劃。1950年正在倫敦度假的Pontecorvo突然消失，半年后出現(xiàn)在莫斯科，并在前蘇聯(lián)的杜布納聯(lián)合核子研究中心一直工作到去世。20世紀50年代末，他提出了一種理論猜想：如果中微子質(zhì)量不為零且質(zhì)量本征態(tài)和弱相互作用本征態(tài)不一致，那么中微子會發(fā)生振蕩。這種振蕩就使電子中微子在運動過程中變成μ中微子，μ中微子也會反過來再變成電子中微子。這實際上是量子力學(xué)中態(tài)的疊加，使得測量的時候電子中微子和μ中微子的出現(xiàn)幾率隨空間距離變化。這個振蕩幾率公式非常簡單：

其中sin2(2θ)是振幅，表示電子中微子變?yōu)棣讨形⒆拥母怕剩籹in2(1.27Δm2L/E)表示振蕩頻率。振蕩頻率和質(zhì)量的平方差相關(guān)，如果質(zhì)量的平方差為零就沒有振蕩。這就給我們提供了一個測量中微子質(zhì)量的辦法，雖然測不出絕對值，但是可以知道它的質(zhì)量差，對中微子研究來說已經(jīng)很重要了。

中微子振蕩研究還要追溯到20世紀70年代。當(dāng)時，美國科學(xué)家Raymond Davis同他的合作者用一個盛滿了615 t C2Cl4的巨桶作為探測器(Homestake實驗)， 花了30年的時間共測到了2000多個中微子事例。這些中微子幾乎都是來自太陽的電子中微子。Davis團隊發(fā)現(xiàn)探測到的中微子數(shù)目僅是理論預(yù)期的1/3左右。這就是著名的“太陽中微子消失之謎”。

20世紀80年代，開始有了大型中微子探測器。日本科學(xué)家小柴昌俊進行了著名的神岡實驗(Kamiokande)，使用了3000 t的水探測器，1000只20英寸(1英寸=2.54 cm)的光電倍增管(PMT)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實際觀測到的大氣中微子和理論預(yù)期不同。隨后，美國IMB實驗、法國FREJUS實驗、意大利NUSEX實驗，以及美國SOUDAN實驗，分別進行了類似的實驗，測出來結(jié)果不盡相同(圖5)，最終沒辦法判斷理論到底是否正確。小柴認為有必要再進行驗證，于是建造了一個5萬t的水探測器，這就是超級神岡實驗(SuperK)。這次他們成功地觀測到了中微子振蕩，實驗數(shù)據(jù)和中微子振蕩的理論預(yù)期非常符合。小柴昌俊和梶田隆章分別獲得了2002年和2015年的諾貝爾物理學(xué)獎，但是很可惜，超級神岡的負責(zé)人戶冢洋二在2008年因為癌癥去世了，沒能獲得諾貝爾獎。

圖5 大氣中微子反常的測量(測量值用μ中微子/電子中微子，為了盡量消掉不確定因素，結(jié)果實驗數(shù)據(jù)/模擬數(shù)據(jù)的雙比值來表示， R′=1表示測量值與預(yù)期值一樣，即μ中微子相對于電子中微子沒有減少)

圖6 超級神岡探測器內(nèi)部，工作人員正劃著小船檢修探測器(墻壁上為光電倍增管)

超級神岡實驗中(圖6)，只看到中微子和理論預(yù)期的差存在，并沒有證明少掉的這部分中微子到底去哪里了。1984年美籍華裔物理學(xué)家陳華森提出一種實驗方案：用1000 t重水來替代水，中微子和重水中的氘發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)不僅對電子中微子敏感，也對其他中微子敏感。不同的中微子可以與氘核及核外電子發(fā)生不同的相互作用，這樣就可以分別測出不同種類的中微子通量，以尋找和驗證消失的中微子。這個設(shè)想后來發(fā)展成為加拿大的SNO實驗，并在2002年發(fā)現(xiàn)消失的太陽中微子(即電子中微子)實際上變成了μ和τ中微子。所有的中微子通量全部加起來以后，與標準太陽模型的預(yù)言一致。這個巧妙的方案證明了太陽中微子振蕩(圖7)。實驗的發(fā)起人陳華森1987年因白血病去世，也未能獲得諾貝爾獎。繼任實驗負責(zé)人Art McDonald于2015年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

圖7 電子中微子(左圖)和μ中微子(右圖)(黑點)與無振蕩預(yù)期值(藍框)、有振蕩預(yù)期值(紅線)隨天頂角變化關(guān)系的比較(數(shù)據(jù)表明電子中微子沒有變化，μ中微子丟失了，其隨距離的關(guān)系符合中微子振蕩預(yù)言)

5 大亞灣中微子和江門中微子實驗

根據(jù)對撞機實驗結(jié)果，可以確定只存在三種中微子。它們之間兩兩相互轉(zhuǎn)換，應(yīng)該存在3種振蕩模式，分別用θ12、θ13、θ23來描述。2002年測出了太陽中微子振蕩參數(shù)θ12和大氣中微子振蕩參數(shù)θ23，還有一種模式?jīng)]有測到，就是大亞灣實驗要尋找的θ13振蕩。 2012年3月8日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗國際合作組在北京宣布，發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式θ13(圖8)。

大亞灣中微子實驗位于深圳市區(qū)以東約50 km的大亞灣核電站群附近的山洞內(nèi)，地理位置優(yōu)越，緊鄰世界上最大的核反應(yīng)堆群之一的大亞灣核電站與嶺澳核電站，并且緊鄰高山，有天然的宇宙線屏蔽。2003年我們提出了實驗和探測器設(shè)計的總體方案(圖9)，2006年獲得批準立項，2007年10月破土動工。整個實驗計劃建設(shè)總長3 km的隧道和3個地下實驗大廳，其中2個近廳各放置2個中微子探測器，遠廳放置4個探測器，共8個全同的中微子探測器。每個探測器高5 m，直徑5 m，重110 t，均置于10 m深的水池中。大亞灣實驗采用了一系列創(chuàng)新性的設(shè)計思想，設(shè)計指標和精度國際最高，設(shè)計方案和研制工藝先進，在探測器模塊化、可移動、采用反射板、摻釓液體閃爍體等多項設(shè)計與技術(shù)方面具有獨創(chuàng)性，達到和超過了世界先進水平。

圖8 3個實驗廳內(nèi)的6個中微子探測器測量到的中微子數(shù)與預(yù)期中微子數(shù)的比值。橫坐標是中微子的飛行距離；縱坐標為1的虛線表示沒有振蕩。紅線為中微子的振蕩曲線的最佳擬合值。在近點實驗廳EH1和EH2，振蕩很小(這里的振蕩主要來自較遠的反應(yīng)堆，比如從嶺澳反應(yīng)堆到大亞灣近點EH1的兩個探測器距離超過1 km，已經(jīng)有了一些振蕩效應(yīng))，在遠點實驗廳的3個探測器可以看到明顯的振蕩效應(yīng)

大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了中微子的第3種振蕩模式，使中國的中微子研究走到了世界前列，打開了理解反物質(zhì)消失之謎的大門。中微子實驗下一個要解決的問題是中微子質(zhì)量順序，這就是江門中微子實驗的目標。質(zhì)量順序是中微子的內(nèi)稟屬性之一，是所有粒子物理模型都必須面對的問題。它直接影響中微子及反中微子與物質(zhì)的相互作用，并因此在宇宙演化、太陽及超新星中微子的產(chǎn)生與傳播、各種長基線中微子振蕩等方面有重要影響。江門中微子實驗還可以精確測量中微子6個振蕩參數(shù)中的3個，并達到好于1%的水平，使檢驗中微子混合矩陣的幺正性、發(fā)現(xiàn)新物理成為可能。它也可以研究超新星中微子、太陽中微子、地球中微子、惰性中微子等，不僅能對理解微觀的粒子物理規(guī)律作出重大貢獻，也將對宇宙學(xué)、天體物理乃至地球物理作出重大貢獻。

圖9 大亞灣核電站示意。D1、D2、L1～L4是大亞灣核電站的6個反應(yīng)堆。AD1～AD6是大亞灣中微子實驗的6個中微子探測器，分置在3個地下實驗大廳內(nèi)，實驗大廳用EH1～EH3標記，由水平隧道連接。EH1內(nèi)的2個探測器監(jiān)測大亞灣核電站2個反應(yīng)堆(D1、D2)的中微子流強，EH2內(nèi)的1個探測器監(jiān)測來自嶺澳和嶺澳二期4個反應(yīng)堆的中微子流強。EH3位于振蕩極大值附近，放置3個探測器來測量振蕩大小

江門中微子實驗(圖10)的最大難關(guān)是技術(shù)，它將擁有國內(nèi)最大的地下洞室(48 m×70 m，大約是20層樓高)，直徑達35.4 m的國際上最大的有機玻璃球(薩德伯里中微子觀測站的有機玻璃球直徑為13 m)，世界上最大、透明度最好的2萬噸的液體閃爍探測器，以及2萬個20英寸光電倍增管，探測效率需要大大超過超級神岡(15%)，達到世界最高的30%。

江門中微子實驗由世界上17個國家和地區(qū)的71個研究單位、550位科學(xué)家和工程師參加，預(yù)計2020年完成建設(shè)， 3～5年之內(nèi)能出成果。

6 上帝粒子及其精確測量——大型強子對撞機(LHC)和環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)項目

Higgs場在標準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)、暴脹等行為相關(guān)。簡言之，Higgs場同標準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粒子是人類通向標準模型背后的、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。

圖10 江門中微子實驗探測器的效果圖

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實驗的前身，見圖11)，B介子工廠(位于日本筑波市的SuperKEKB)，等等。為了實現(xiàn)Higgs粒子的精確測量，需要一個Higgs粒子工廠。

歐洲大型強子對撞機(large hadron collider,LHC)本身是強有力的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不僅確認了Higgs粒子的存在，還對它的物理性質(zhì)進行了測量和限制。數(shù)據(jù)分析表明，在LHC上發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子的性質(zhì)和標準模型預(yù)言高度吻合。另外，LHC實驗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)有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性質(zhì)測量的極限精度大約在10%量級。

正負電子對撞機是高精度Higgs粒子工廠的有力選型。和強子不同，正負電子不參與強相互作用，因此正負電子對撞環(huán)境下物理本底要低得多。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，同時正負電子對撞機上事例的初態(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。

圖11 LEP(左)及LHC(右)

環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)是中國高能物理學(xué)界倡議建設(shè)的Higgs粒子工廠(圖12)。在周長約100 km的環(huán)形坑道內(nèi)，計劃安裝一臺質(zhì)心能量在240 GeV的正負電子對撞機——CEPC。我們預(yù)計在10年內(nèi)，通過兩個探測器可以采集到100萬Higgs粒子事例。和LHC不同，這些事例幾乎可以百分之百地被記錄下來，進行非常精確的測量并研究Higgs粒子的性質(zhì)(質(zhì)量、自旋、宇稱、耦合等)，尋找新物理的跡象。細致的模擬分析表明，CEPC可將Higgs粒子的性質(zhì)測量到1%，甚至到0.1%水平的相對精確度。換言之，CEPC上Higgs粒子測量的精度比LHC高1～2個量級。

通過調(diào)整質(zhì)心能量，CEPC上每年可以產(chǎn)生1010個Z粒子，精確研究弱電理論并檢驗標準模型，尋找偏離標準模型的跡象，如稀有衰變等。更近一步，通過質(zhì)子質(zhì)子對撞SPPC(～100 TeV)可以直接尋找超出標準模型的新物理、新現(xiàn)象和新粒子，對標準模型進行精確測量。精確測量和尋找新物理的互補，這樣就能保證這個裝置一定會有很好的科學(xué)成果。

CEPC也是高能同步輻射光源，從二級鐵引出的高能同步輻射光，能量可達628 keV，超過目前所有正在運行和在建的同步輻射光源。使用扭擺磁鐵或波蕩器后，光子能量可以超過20 MeV。MeV級同步輻射光源可以廣泛用于核物理、國防、材料結(jié)構(gòu)與缺陷、微加工、極端條件、高壓、輻照改性、育種等眾多領(lǐng)域。

圖12 CEPC-SPPC項目概念圖

7 從BEPC到CEPC：中國的大型加速器

目前，中國尚在運行的粒子物理對撞機是北京正負電子對撞機(BEPC)。BEPC于1984年開工，1988年實現(xiàn)對撞，在當(dāng)時是該能區(qū)世界上亮度最高的加速器。BEPC是中國在國際高能物理研究領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地的關(guān)鍵。

2004年，BEPC進行了重大改造工程，2009年完成。BEPCII采用了新型雙環(huán)對撞機的創(chuàng)新設(shè)計(圖13)，在極短的隧道內(nèi)兼顧同步輻射，亮度達到世界最高。改造后的北京譜儀(BESIII)在2013年發(fā)現(xiàn)了一種新粒子Zc(3900)，該粒子由4夸克構(gòu)成，與目前發(fā)現(xiàn)的由2夸克構(gòu)成的介子或者由3夸克構(gòu)成的重子(如中子和質(zhì)子)都不一樣。這項成果(圖14)，被美國物理學(xué)會《物理》雜志評為2013年國際物理學(xué)11項重要成果之首。

圖13 北京正負電子對軋輥及其采用的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得對撞機的亮度提高了100倍

圖14 介子(左)、重子(中)和奇特強子(右)

BEPCII將會一直運行到2025年，我們必須考慮在此之后中國高能物理的發(fā)展方向和規(guī)劃。高能加速器從計劃設(shè)計到建設(shè)完成投入使用，少則20年，多則三四十年都有可能。比如LHC第一次提出計劃是1980年，2008年9月正式運行，預(yù)計運行到2035年，前后要經(jīng)歷55年。因此，項目規(guī)劃必須要有先瞻性。2012年Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)，為我們提供了一個未來發(fā)展的機會，即建設(shè)一個環(huán)形正負電子對撞機來仔細研究Higgs粒子。CEPC建成以后就有了隧道，為質(zhì)子質(zhì)子對撞、電子質(zhì)子對撞或重粒子對撞提供了可能。也就是說CEPC將有極長的科學(xué)壽命，可以兼顧未來幾十年科學(xué)研究的需要。CEPC項目被中國高能物理學(xué)界公認為是中國粒子物理發(fā)展的首選項目。

BEPC不僅為中國高能物理研究取得了一系列世界頂級的物理成果，也培養(yǎng)、訓(xùn)練了一支高水平的技術(shù)人才隊伍。這為CEPC項目的相關(guān)研究提供了寶貴的人才儲備。

8 粒子物理研究推動高技術(shù)的發(fā)展

為了達到更高的對撞能量，更亮的積分亮度，處理更多的實驗數(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?；仡橦iggs粒子的發(fā)現(xiàn)，有賴于全球上萬名科學(xué)家與工程師30多年的努力，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。因為有大量的科學(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，使得這項技術(shù)很快擴展到全世界，最終成就了今天的互聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益無論怎么估計都不過分。

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35000臺加速器正在運行，除了同步輻射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，輻照加速器在生活中的應(yīng)用更是廣泛，例如：食品滅菌、殺蟲、保鮮等；醫(yī)療材料的消毒；機場、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。粒子物理過去70年的研究對日常生活起了很多積極的作用，推動了技術(shù)的發(fā)展。

事實上，基礎(chǔ)研究和先進技術(shù)一直是相輔相成的。在2017年11月舉行的國際環(huán)形高能正負電子對撞機會議上，來自全國各地的40多家高技術(shù)企業(yè)組成了CEPC產(chǎn)業(yè)促進會(圖15)。中國工業(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，大型精密機械，高精度磁鐵/超導(dǎo)磁鐵，自動控制，抗輻照半導(dǎo)體芯片，輻射探測方法、材料、技術(shù)，超導(dǎo)高頻加速腔，微波功率源，液氦低溫系統(tǒng)，大型制冷機及低溫管道，大數(shù)據(jù)，計算機與網(wǎng)絡(luò)等。

圖15 2017年11月CEPC產(chǎn)業(yè)促進會成立

9 粒子物理的未來

在標準模型的粒子譜“完備”以后，粒子物理學(xué)該向何處去？這是物理學(xué)家們都在思考的問題。

首先，標準模型粒子譜的完備并不意味著人們對標準模型已經(jīng)完全理解。人們對標準模型的理解仍處于“知其然不知其所以然”的狀態(tài)。達到“所以然”則意味著人類認識的巨大飛躍，也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：一個方向是尋找更深層次的粒子，同過去傳統(tǒng)的想法一樣，順著原子—原子核—夸克一路尋找下去，看看是否還存在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)言這級結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，再想辦法通過實驗去驗證修正。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)一理論將弱相互作用和電磁相互作用通過一個方程式寫出來。目前還沒有一個方程能把弱電統(tǒng)一理論與強相互作用統(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，但不知道寫出來的方程是否反應(yīng)了自然界的實際情況。就像當(dāng)年的Higgs粒子一樣，當(dāng)時沒人知道對不對，直到通過實驗找到它。因此未來不管選擇哪個方向，都需要實驗來驗證。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，最終要靠實驗數(shù)據(jù)驗證。

目前世界上有多個粒子物理學(xué)實驗，其側(cè)重點各有不同。這些實驗分為加速器實驗和非加速器實驗兩大類。非加速器實驗方面：丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的AMS實驗，研究反物質(zhì)和暗物質(zhì)問題；中微子研究方面中國有大亞灣、江門中微子實驗等；暗物質(zhì)研究中國有錦屏地下實驗室、空間DAMPE和HERD兩個實驗；等等。加速器實驗方面：LHC實驗正在最高的質(zhì)心能量下積極尋找新物理現(xiàn)象；北京正負電子對撞機、日本的超級B介子工廠(Super KEKB)在強子物理領(lǐng)域掃描，尋找稀有衰變和新的強相互作用粒子；等等。

為了突破現(xiàn)有實驗的極限，解決標準模型中存在的根本性問題，特別是全面理解Higgs粒子，人們提出了大量未來實驗項目，并進行了深入研究。這些項目包括直線對撞機(ILC)、緊致對撞機(CLIC)、未來環(huán)形對撞機(FCC)、光子對撞機、μ子對撞機、等離子體尾場加速器等等。中國的環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)和超級強子對撞機(SPPC)也在其中。在綜合考慮物理潛力、物理性能、技術(shù)成熟度、造價等因素后，國際高能物理學(xué)界公認CEPC-SPPC項目在所有上述預(yù)研項目中有明顯優(yōu)勢。

利用現(xiàn)有以及未來實驗上采集到的數(shù)據(jù)，有望理解粒子物理標準模型中存在的一系列根本性問題，從而大大加深對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)物理規(guī)律的理解，乃至最終實現(xiàn)對標準模型的突破和認識飛躍。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證(復(fù)合模型，額外維、超對稱等等)、中微子的性質(zhì)、強子物理稀有衰變和精確測量等等。同時，粒子物理實驗要和宇宙學(xué)聯(lián)系起來，深入理解反物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量、暴脹，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，也是人類突破標準模型的關(guān)鍵，期間蘊含著無限可能。CEPC-SPPC項目，有望在人類這一壯麗的探索中發(fā)揮旗艦作用。

(2017年9月24日收稿)

Exploring the basic structure of material：Introduction to neutrinos and CEPC

WANG Yifang, RUAN Manqi
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

We made a brief introduction to the particle physics, including its scientific objective, experimental methodology, current status and explicitly the Standard Model. We explained why the searching for Beyond Standard Model signal is of key importance for nowadays’ physics research. The first experimental evidence of the Beyond Standard Model signal, the neutrino oscillation, is discussed in details. Meanwhile, we discussed intensively the Higgs boson, which serves as an extremely sensitive probe to the new physics signal. The particle physics experimental facilities are briefly summarized in this manuscript, especially the Beijing Electron Positron Collider and the proposed Circular Electron Positron Collider. For the latter, we demonstrated its physics reach, physics potential, and described its synergy with industrial technology innovation.

particle physics, standard model, neutrino, Higgs boson, circular electron positron collider (CEPC), technology innovation

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.001

?通信作者，中國科學(xué)院院士，研究方向：粒子物理實驗。E-mail: yfwang@ihep.ac.cn

(編輯：溫文)