陳明水 李衡訥 李玉峰 呂曉睿 阮曼奇 周寧

自從文明誕生之日起，人類便一直在探尋這個(gè)世界到底是由什么構(gòu)成的，它又是以怎樣的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)的。3000多年前的古中國(guó)，人們?cè)?jīng)認(rèn)為世界是由金、木、水、火、土這5種元素組成。公元前6世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家提出了物質(zhì)是由基本粒子組成的猜測(cè)。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質(zhì)是由原子組成的理論。到了20世紀(jì)，隨著近代物理學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸具備了深入理解原子的能力，了解到原子是由更基礎(chǔ)的粒子組成的，并且能夠定量地研究其相互作用力。在人類文明史中，物質(zhì)的基本組成及其相互作用始終是人類認(rèn)知領(lǐng)域最前沿的問(wèn)題，而粒子物理學(xué)便是當(dāng)代物理學(xué)中研究這個(gè)基本問(wèn)題的分支。

在過(guò)去的三四十年里，物理學(xué)家逐步建立了粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”框架。在這個(gè)框架里，人們是以基本粒子的概念理解這個(gè)世界的?；玖Ｗ臃譃閮深悾瑯?gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子和傳遞相互作用的玻色子。物質(zhì)粒子分為輕子和夸克 2個(gè)類別，每個(gè)類別又有3代6個(gè)之分。上夸克和下夸克組成了宇宙中絕大部分物質(zhì)的原子核，而原子核加上核外電子組成了原子，原子又進(jìn)一步組成了分子，分子繼而組成了包括我們每一個(gè)人的身體在內(nèi)的宇宙萬(wàn)物。宇宙中還有不計(jì)其數(shù)的中微子在穿行，很少與物質(zhì)發(fā)生相互作用，數(shù)以億計(jì)的中微子每時(shí)每刻都在穿過(guò)人的身體。其他的夸克和輕子壽命一般很短，在宇宙射線中會(huì)出現(xiàn)，或在高能加速器中被瞬間產(chǎn)生出來(lái)。這些物質(zhì)之間的相互作用由玻色子傳遞。其中電磁相互作用由光子來(lái)傳遞，弱相互作用由W和Z玻色子傳遞，強(qiáng)相互作用由膠子來(lái)傳遞。除此之外還有一個(gè)希格斯（Higgs）玻色子，它是給予物質(zhì)粒子質(zhì)量的希格斯場(chǎng)的激發(fā)態(tài)，是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型雖然很成功，但它不能解釋全部問(wèn)題。如標(biāo)準(zhǔn)模型中并不包括人們?nèi)粘Ｉ钪懈惺艿降娜f(wàn)有引力。如何將引力統(tǒng)一進(jìn)來(lái)，到目前為止仍然是個(gè)迷，仍無(wú)法理解從天文學(xué)觀測(cè)中所預(yù)言的造成宇宙加速膨脹的暗物質(zhì)和暗能量。據(jù)推算，如果宇宙的加速膨脹是由暗物質(zhì)和暗能量造成的，那暗物質(zhì)和暗能量要占據(jù)宇宙總量的96%，而粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型只能描述宇宙總量的不到4%。除此之外，物質(zhì)粒子都有其對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子，正、反物質(zhì)的數(shù)量如果嚴(yán)格相等，那這個(gè)正物質(zhì)組成的世界是不存在的。

為解開(kāi)這個(gè)由正物質(zhì)組成的世界得以存在的謎團(tuán)，人們利用現(xiàn)代科技建設(shè)了各種實(shí)驗(yàn)裝置。其中包括位于歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)、位于北京的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、位于日本筑波的高能加速器設(shè)施、位于廣東沿海的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)、位于四川錦屏山隧道中的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室以及發(fā)射到太空中的“悟空”探測(cè)器等。本文從希格斯物理和新物理尋找、中微子物理、暗物質(zhì)研究、新強(qiáng)子態(tài)及未來(lái)對(duì)撞機(jī)研究等方面介紹2018年粒子物理學(xué)的進(jìn)展。

1 希格斯物理和新物理尋找

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，希格斯粒子占據(jù)著至關(guān)重要的位置，負(fù)責(zé)了基本粒子的質(zhì)量起源。在2012年，希格斯粒子被位于歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的兩大實(shí)驗(yàn)組超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊繆子線圈（CMS）同時(shí)發(fā)現(xiàn)，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)基本標(biāo)量粒子，也是標(biāo)準(zhǔn)模型框架中最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子。但是受限于數(shù)據(jù)量，科研人員對(duì)它的屬性尚沒(méi)有足夠精確的認(rèn)識(shí)。它的屬性是否與標(biāo)準(zhǔn)模型理論的預(yù)測(cè)相符，特別是它是否如標(biāo)準(zhǔn)模型理論所預(yù)言的與費(fèi)米子也有直接相互作用，這些問(wèn)題是利用希格斯粒子進(jìn)行新物理尋找的突破口，需要實(shí)驗(yàn)上獲取更多數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，是LHC的主要物理目標(biāo)之一。

2018年12月LHC完成了自2015年開(kāi)始的第二輪運(yùn)行，CMS和ATLAS實(shí)驗(yàn)分別采集了約 150 fb-1質(zhì)心能量為 13 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，此后進(jìn)入了為期 2年的長(zhǎng)停機(jī)及維護(hù)升級(jí)階段。在基于前期部分對(duì)撞數(shù)據(jù)的分析中，CMS和ATLAS實(shí)驗(yàn)組于2018年分別獨(dú)立地以超過(guò) 5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著性先后發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了希格斯粒子與頂夸克粒子（top quark，標(biāo)準(zhǔn)模型理論中最重的夸克）伴隨產(chǎn)生的機(jī)制和希格斯粒子到底夸克粒子的衰變模式，完成了希格斯粒子與第三代費(fèi)米子直接相互作用的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。這些結(jié)果入選了美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2018年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展。其中，中國(guó)ATLAS和CMS研究團(tuán)隊(duì)也在這些結(jié)果中做出了重要貢獻(xiàn)。目前實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的希格斯粒子與基本粒子的相互作用強(qiáng)度在數(shù)個(gè)量級(jí)的質(zhì)量區(qū)間與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)相符。

在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理尋找方面，CMS和 ATLAS兩大實(shí)驗(yàn)組仍然沒(méi)有任何顯著的偏離標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)的公開(kāi)結(jié)果。目前，研究人員正在緊張地對(duì)第二輪運(yùn)行采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首批基于全部數(shù)據(jù)的物理分析結(jié)果將有望于2019年相繼公布。屆時(shí)希格斯粒子性質(zhì)的測(cè)量及大量新物理尋找的靈敏度都會(huì)有顯著提升，有望取得新的重大進(jìn)展。

2 中微子物理

最近20年來(lái)，中微子科學(xué)的研究取得快速的突破，從1998年日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩到 2002年加拿大 SNO實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子味轉(zhuǎn)化效應(yīng)，再到2012年中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)θ13驅(qū)動(dòng)的新型振蕩模式。一系列中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確立了三代中微子振蕩的完整框架。

2018年中微子領(lǐng)域的重大事件，最顯著的是南極的冰立方（IceCube）實(shí)驗(yàn)首次觀測(cè)到遙遠(yuǎn)星系的耀變體發(fā)出的高能中微子信號(hào)，并且與美國(guó)費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡等全球多家光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的信號(hào)一致，首次實(shí)現(xiàn)了高能中微子信號(hào)參與的多信使的天文學(xué)觀測(cè)，具有重大的開(kāi)創(chuàng)意義。這次耀變體的觀測(cè)和2017年中子星合并事件的引力波和光學(xué)信號(hào)聯(lián)合觀測(cè)一起推動(dòng)了多信使天文學(xué)時(shí)代的來(lái)臨。此成果被《Science》評(píng)為雜志2018年度最重要的十大科學(xué)突破之一。

在超出三代中微子振蕩框架的新物理尋找方面，基于一系列短基線中微子實(shí)驗(yàn)的輕惰性中微子是近年來(lái)中微子物理的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。2018年，美國(guó)Fermi實(shí)驗(yàn)室的MiniBooNE發(fā)布了新的測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)中微子事例能譜的低能量區(qū)域存在明顯的超出現(xiàn)象，與之前LSND實(shí)驗(yàn)的反常超出信號(hào)類似，再次引起了中微子相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但是在最小的惰性中微子模型中，LSND和MiniBooNE的反常信號(hào)和其他加速器和反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的結(jié)果存在矛盾。未來(lái)可能的出路包括更復(fù)雜的惰性中微子模型或者某些實(shí)驗(yàn)存在可質(zhì)疑的地方。

在非振蕩中微子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尋找0 ββ變的實(shí)驗(yàn)正在如火如荼地進(jìn)行?；贕e76、Xe136和Te130等同位素的0 ββ變實(shí)驗(yàn)相繼給出了結(jié)果，但還沒(méi)有找到0 ββ衰變的信號(hào)，此過(guò)程的壽命已經(jīng)限制到大于1025～1026年。如果中微子是馬約拉納粒子并且標(biāo)準(zhǔn)的三代中微子是產(chǎn)生0 ββ衰變的主要來(lái)源，那么將有很大可能0 ββ衰變的壽命小于或接近1028年，因此未來(lái)幾年是0 ββ衰變實(shí)驗(yàn)快速發(fā)展的關(guān)鍵階段。

2018年另一個(gè)非振蕩實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展是建設(shè)多年的3H貝塔衰變實(shí)驗(yàn)KATRIN在德國(guó)的卡爾斯魯厄開(kāi)始正式運(yùn)行，將直接測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量。其靈敏度相對(duì)之前實(shí)驗(yàn)將提高1個(gè)量級(jí)，達(dá)到0.2 eV的水平。

未來(lái)幾年還將是中微子物理蓬勃發(fā)展的階段，中微子質(zhì)量順序、輕子CP破壞相位的測(cè)量以及0νββ衰變的搜尋構(gòu)成未來(lái)實(shí)驗(yàn)的三大物理目標(biāo)。中國(guó)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將有望針對(duì)質(zhì)量順序率先獲得國(guó)際具有競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)驗(yàn)成果。2018年江門(mén)實(shí)驗(yàn)建設(shè)進(jìn)展順利，預(yù)期2021年開(kāi)始運(yùn)行取數(shù)。此外，中國(guó)也有多家單位開(kāi)始布局0νββ衰變的實(shí)驗(yàn)研究，力爭(zhēng)在這項(xiàng)高競(jìng)爭(zhēng)、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的研究領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此外，中微子天文學(xué)的研究也是方興未艾，冰立方等實(shí)驗(yàn)的高能中微子探測(cè)，以及未來(lái)中國(guó)江門(mén)和錦屏中微子實(shí)驗(yàn)的太陽(yáng)、地球、超新星中微子的探測(cè)必將引領(lǐng)中微子天文學(xué)的蓬勃發(fā)展。

3 暗物質(zhì)研究

暗物質(zhì)和暗能量被稱為“籠罩在 21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。為了揭示暗物質(zhì)的本質(zhì)，粒子物理學(xué)家和天文物理學(xué)家正通過(guò)不懈的努力研發(fā)、設(shè)計(jì)各種精密實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而探測(cè)暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)之間可能存在的微弱相互作用。目前科學(xué)家采用的探測(cè)手段可以分成 3類，包括直接探測(cè)（探測(cè)暗物質(zhì)粒子碰撞探測(cè)器引起的靶物質(zhì)反沖信號(hào)）、間接探測(cè)（探測(cè)宇宙中暗物質(zhì)衰變或者湮滅的產(chǎn)物）和對(duì)撞機(jī)探測(cè)（通過(guò)高能粒子加速對(duì)撞產(chǎn)生暗物質(zhì)）。如果某個(gè)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了暗物質(zhì)疑似信號(hào)，其他實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行獨(dú)立的檢驗(yàn)和物理性質(zhì)測(cè)量。

在暗物質(zhì)直接探測(cè)上，多種探測(cè)物質(zhì)類型和信號(hào)探測(cè)方式各顯神通，覆蓋暗物質(zhì)參數(shù)空間的不同區(qū)域。在約6 GeV/c2以上的大質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間，氣液二相型氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集反沖產(chǎn)生的光和電信號(hào)，繼續(xù)向更低相互作用區(qū)域推進(jìn)。位于錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的中國(guó)PandaX二期580 kg液氙實(shí)驗(yàn)在2017年公布世界領(lǐng)先的暗物質(zhì)探測(cè)結(jié)果之后，繼續(xù)采集暗物質(zhì)數(shù)據(jù)，至2018年末將數(shù)據(jù)曝光量又提升了 1倍以上，目前最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正在緊張分析中。同時(shí)，PandaX實(shí)驗(yàn)利用已公布的54 t·d曝光量的數(shù)據(jù)對(duì)多種暗物質(zhì)模型進(jìn)行了搜索，其中對(duì)輕傳播子暗物質(zhì)模型的結(jié)果對(duì)能夠解釋星系尺度宇宙結(jié)構(gòu)“小尺度危機(jī)”的自相互作用暗物質(zhì)模型給出了目前為止最強(qiáng)烈的限制。另外，PandaX實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步推進(jìn)了自旋相關(guān)的暗物質(zhì)模型的世界限制，并對(duì)軸矢量、張量、磁偶極和電偶極等有效場(chǎng)模型給出新的限制。

位于意大利Gran Sasso地下實(shí)驗(yàn)室的XENON1T液氙實(shí)驗(yàn)在2018年公布了噸年（使用1 t液氙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)運(yùn)行1年，下同）曝光量的數(shù)據(jù)，對(duì)自旋無(wú)關(guān)的暗物質(zhì)模型有了更強(qiáng)的限制。值得關(guān)注的是，噸級(jí)的XENON1T實(shí)驗(yàn)在信號(hào)區(qū)間開(kāi)始觀測(cè)到一些事例，并研究了來(lái)自 200 GeV暗物質(zhì)信號(hào)的概率。雖然XENON1T結(jié)果中沒(méi)有出現(xiàn)顯著的信號(hào)超出，但這使得未來(lái)多噸級(jí)液氙實(shí)驗(yàn)更加令人期待。目前，正在緊張研發(fā)的下一代多噸級(jí)液氙實(shí)驗(yàn)有中國(guó)的PandaX-4T、歐洲的XE-NONnT實(shí)驗(yàn)和美國(guó)的LZ實(shí)驗(yàn)，預(yù)期在2～3年后能有物理結(jié)果，最終能夠把探測(cè)靈敏度提高 1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到暗物質(zhì)理論參數(shù)范圍的中心區(qū)域。

同樣對(duì)大質(zhì)量暗物質(zhì)有靈敏度的液氬探測(cè)實(shí)驗(yàn)也在不斷向前發(fā)展。中國(guó)參與的 DarkSide-50實(shí)驗(yàn)利用46 kg低放射性的液氬進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)，在2018年也公布了近17 t·d曝光量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用氬發(fā)光的波形甄別技術(shù)給出了相應(yīng)的暗物質(zhì)排除上限。未來(lái)多噸級(jí)的液氬升級(jí)計(jì)劃也在逐步研發(fā)中。

由于小質(zhì)量暗物質(zhì)引起的反沖信號(hào)能量低，探測(cè)器的能量閾值是小質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)。中國(guó)的CDEX實(shí)驗(yàn)利用10 kg高純鍺點(diǎn)電極探測(cè)反沖信號(hào)，探測(cè)閾值在160 eV，在2018年公布了103 kg·d曝光量的數(shù)據(jù)，在5 GeV/c2質(zhì)量附近的暗物質(zhì)區(qū)域取得世界最強(qiáng)的限制。對(duì)于更低質(zhì)量的暗物質(zhì)，一些新的探測(cè)方式發(fā)揮了重要作用。如液氬探測(cè)實(shí)驗(yàn)DarkSide-50利用反沖產(chǎn)生的電信號(hào)放大效應(yīng)同時(shí)降低光信號(hào)的要求，將探測(cè)閾值降到100 eV；高純鍺探測(cè)實(shí)驗(yàn)CDMSlite利用新型高壓模式，將探測(cè)閾值降低到56 eV。晶體探測(cè)實(shí)驗(yàn)CRESST利用超低溫CaWO4探測(cè)，甚至取得了低于1 GeV/c2質(zhì)量暗物質(zhì)和核子相互作用的探測(cè)靈敏度。

暗物質(zhì)除了可能和原子核碰撞，也有可能和核外電子發(fā)生相互作用。由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子核，暗物質(zhì)和電子碰撞產(chǎn)生的反沖信號(hào)更加微弱。一些小型研發(fā)性探測(cè)實(shí)驗(yàn)專門(mén)針對(duì)這種信號(hào)開(kāi)展了探測(cè)，如利用硅晶體的CDMS HVeV實(shí)驗(yàn)和利用新型電荷耦合器件（CCD）技術(shù)的SENSEI實(shí)驗(yàn)在2018年的結(jié)果驗(yàn)證了暗物質(zhì)和電子相互作用的探測(cè)靈敏性。

在暗物質(zhì)間接探測(cè)方面，中國(guó)暗物質(zhì)間接探測(cè)衛(wèi)星“悟空”DAMPE實(shí)驗(yàn)在2017年公布了電子觀測(cè)數(shù)據(jù)，在1.4 TeV高能電子處有明顯信號(hào)超出，有可能起源于暗物質(zhì)，引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的高度關(guān)注。至2018年12月，衛(wèi)星發(fā)射已滿 3年，達(dá)到預(yù)期使用壽命。目前衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)仍然良好，關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)仍在積累，衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)決定讓其繼續(xù)運(yùn)行2年。期待“悟空”最新數(shù)據(jù)研究結(jié)果的公布。同時(shí)，美國(guó)AMS實(shí)驗(yàn)繼續(xù)積累高能反電子和反質(zhì)子數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探索宇宙中的暗物質(zhì)衰變或湮滅的產(chǎn)物。

位于歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的AT-LAS和CMS實(shí)驗(yàn)在對(duì)撞機(jī)暗物質(zhì)探測(cè)上繼續(xù)向前推進(jìn)。中國(guó)科學(xué)家深度參與這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用這個(gè)世界對(duì)撞能量最高的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，積極展開(kāi)暗物質(zhì)探測(cè)研究。LHC利用高能質(zhì)子對(duì)撞直接產(chǎn)生暗物質(zhì)從而進(jìn)行探測(cè)，在 2015年和2016年采集到的約36 fb-1數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在2017—2018年陸續(xù)發(fā)布。由于暗物質(zhì)直接穿越探測(cè)器不沉積能量，能夠探測(cè)的過(guò)程為高能可見(jiàn)粒子伴隨橫向丟失能量（暗物質(zhì)帶走的能量）最終態(tài)。這里可見(jiàn)粒子包括了夸克或膠子形成的噴注（包括頂夸克）、光子、矢量玻色子、希格斯粒子、甚至超出標(biāo)準(zhǔn)模型新粒子 Z′等。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)暗物質(zhì)和夸克相互作用的中間傳播子質(zhì)量在1.5 TeV以下給出了限制。另外，對(duì)撞機(jī)探測(cè)還可以直接尋找對(duì)撞產(chǎn)生的中間傳播子。中間傳播子既可以衰變產(chǎn)生暗物質(zhì)，也可以衰變到 1對(duì)夸克從而得到雙噴注最終態(tài)。在一定的中間傳播子衰變過(guò)程和耦合常數(shù)的假設(shè)下，通過(guò)對(duì)雙噴注最終態(tài)的尋找可以給出很強(qiáng)的中間傳播子限制，甚至可以覆蓋到2.5 TeV質(zhì)量區(qū)間。

2018年，暗物質(zhì)探測(cè)向更高的靈敏度推進(jìn)，一方面在探測(cè)器體量和暗物質(zhì)數(shù)據(jù)量上不斷積累提升，另一方面各種新型探測(cè)方式在不同暗物質(zhì)參數(shù)空間得到驗(yàn)證。中國(guó)在直接探測(cè)、間接探測(cè)和對(duì)撞機(jī)探測(cè)這3個(gè)方面積極主導(dǎo)或者深度參與，繼續(xù)發(fā)揮著舉足輕重的作用，期待2019年會(huì)有更多的探測(cè)結(jié)果。

4 新強(qiáng)子態(tài)

新強(qiáng)子態(tài)尋找和性質(zhì)研究是進(jìn)一步理解強(qiáng)作用力機(jī)制的重要手段，是當(dāng)前粒子物理研究的重要熱點(diǎn)課題。在含有奇異夸克的輕重子譜學(xué)方面，2018年實(shí)驗(yàn)上取得了很多進(jìn)展。如含有 2個(gè)奇異夸克和 1個(gè)上（下）夸克的0(-)重子譜學(xué)中，Belle實(shí)驗(yàn)組在分析過(guò)程中，在其中-π+的質(zhì)量譜上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的0激發(fā)態(tài)(1620)0（夸克成分ssu），質(zhì)量約為1610 MeV，寬度約為60 MeV；在含有3個(gè)奇異夸克的Ω-重子譜學(xué)中，Belle實(shí)驗(yàn)組通過(guò)研究0K-和-Ks末態(tài)的不變質(zhì)量能譜上同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的窄Ω*-激發(fā)態(tài)（夸克成分 sss），質(zhì)量約為2012.4 MeV，寬度只有6.4 MeV左右，可能是理論上預(yù)言的一個(gè)3-/2的Ω*-激發(fā)態(tài)。

在含有單個(gè)粲夸克的重子（包括Λc、Σc、c和Ωc）譜學(xué)方面，2017年LHCb實(shí)驗(yàn)組在＋cK-末態(tài)上發(fā)現(xiàn)了5個(gè)新的窄寬度激發(fā)態(tài)（夸克成分css）。至此在單粲重子譜學(xué)中，實(shí)驗(yàn)上共發(fā)現(xiàn)了6個(gè)Λc激發(fā)態(tài)，2個(gè)Σc激發(fā)態(tài)，9個(gè)c激發(fā)態(tài)，6個(gè)Ωc激發(fā)態(tài)。在2018年Belle實(shí)驗(yàn)組同樣在＋cK-末態(tài)上確認(rèn)了LHCb發(fā)現(xiàn)的新激發(fā)態(tài)中的4個(gè)。此外，Belle實(shí)驗(yàn)組分別在B-→過(guò)程的和的不變質(zhì)量譜上報(bào)道了的c激發(fā)態(tài)(2930)發(fā)現(xiàn)和＋c(2930)的證據(jù)，這些結(jié)果均與之前 BaBar實(shí)驗(yàn)上報(bào)道的(2930)結(jié)果相符。

含有 4夸克或 5夸克的奇特粒子研究仍然是當(dāng)前強(qiáng)子譜研究的熱點(diǎn)，特別是含粲夸克的XYZ系列粒子候選態(tài)。由于存在大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在理論上無(wú)法完全理解，成為了科學(xué)家非常關(guān)心的課題。自從X(3872)在2003年日本Belle實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)了很多的細(xì)致研究，但目前仍然無(wú)法明確其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否為普通的粲偶素、分子態(tài)或者是四夸克態(tài)等。BESIII實(shí)驗(yàn)在 2018年發(fā)現(xiàn)了一個(gè)同位旋破壞強(qiáng)衰變過(guò)程 X(3872)→π0χc1，其衰變率與X(3872)→π＋π-J/ψ相當(dāng)。該結(jié)果對(duì)進(jìn)一步理解 X(3872)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)非常重要。在Y粒子方面，Belle和BaBar實(shí)驗(yàn)上 π+π-J/ψ末態(tài)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在4.26 GeV附近的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，稱為 Y(4260)。但后來(lái) BESIII實(shí)驗(yàn)在正負(fù)電子湮滅的精細(xì)掃描數(shù)據(jù)中，通過(guò)分析一系列含粲偶素的強(qiáng)子末態(tài)發(fā)現(xiàn)4.26 GeV附近的共振結(jié)構(gòu)并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的共振態(tài) Y(4260)線型，很可能是由 2個(gè)相近質(zhì)量的Y(4220)和 Y(4320)共振態(tài)線形疊加形成的。在 2018年BESIII實(shí)驗(yàn)e+e-→πD*末態(tài)上發(fā)現(xiàn)的共振結(jié)構(gòu)，是首次觀測(cè)到 Y(4220)衰變到粲介子對(duì)的反應(yīng)，有助于進(jìn)一步澄清該共振態(tài)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。在帶電 Z粒子方面，LHCb 實(shí)驗(yàn)在 B0→ηcK＋π-衰變中，通過(guò)詳細(xì)的中間共振態(tài)振幅分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在ηcπ-質(zhì)量譜上的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)Zc(4100)的證據(jù)，顯著性為 3.4 σ。經(jīng)測(cè)量給出其質(zhì)量約為4096 MeV，寬度約152 MeV，量子數(shù)JP可能為 0+或1-。該結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部含有 1對(duì)正反粲夸克對(duì)，并帶負(fù)電荷，因此是一個(gè)含有 4夸克的奇特粒子候選態(tài)。Zc(4100)與 Belle實(shí)驗(yàn)曾報(bào)道的 Zc(4050)-→χc1π-的質(zhì)量和寬度接近。若它們是同一共振態(tài)，則 Zc(4100)傾向于 JP為 0+的態(tài)，并且 Zc(4100)衰變到 ηcπ-的概率大約是衰變到χc1π-的1.5倍，符合預(yù)期。

5 未來(lái)對(duì)撞機(jī)研究

2012年，在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，對(duì)其性質(zhì)的精確測(cè)量隨即成為粒子物理實(shí)驗(yàn)的核心課題。相比于發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的 LHC，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)具有初態(tài)準(zhǔn)確可控、本底噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，有望能以遠(yuǎn)高于LHC的精度對(duì)希格斯粒子性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。因此，高能物理學(xué)界倡議了多種可作為希格斯工廠的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，其中包括歐洲核子中心提議的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）、緊致直線對(duì)撞機(jī)（CLIC）、可能被日本政府支持的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、由中國(guó)高能物理學(xué)界提議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）。目前，這些項(xiàng)目正積極推動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)和技術(shù)預(yù)研工作。日本政府就能否批準(zhǔn)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)的建設(shè)仍在進(jìn)行磋商。2018年11月，CEPC研究工作組在北京正式發(fā)布 CEPC的兩卷《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》（CDR），意味著CEPC項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)藍(lán)圖完成。緊隨其后，F(xiàn)CC合作組也發(fā)布了其《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。

CEPC的概念設(shè)計(jì)報(bào)告包括《加速器卷》和《探測(cè)器和物理卷》兩部分?！都铀倨骶怼方榻B了加速器整體設(shè)計(jì)，包括直線加速器、阻尼環(huán)、增強(qiáng)器和對(duì)撞機(jī)。另外，還介紹了低溫系統(tǒng)、土木工程、輻射防護(hù)等一系列重要支撐設(shè)施，并討論了 CEPC升級(jí)的可能選項(xiàng)?！短綔y(cè)器和物理卷》展示了 CEPC的物理潛力，介紹了探測(cè)器的設(shè)計(jì)概念及其關(guān)鍵技術(shù)選項(xiàng)，重點(diǎn)對(duì) CEPC的探測(cè)器和物理研究做了深入評(píng)估，并討論了未來(lái)探測(cè)器研發(fā)和物理研究的初步計(jì)劃。根據(jù)該設(shè)計(jì)報(bào)告，CEPC的主環(huán)周長(zhǎng)達(dá)100 km，是目前世界上最大的高能物理對(duì)撞機(jī)LHC的4倍。CEPC上將至少會(huì)有2臺(tái)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在目前的概念設(shè)計(jì)報(bào)告中，CEPC將在10年的運(yùn)行時(shí)間中產(chǎn)生100萬(wàn)個(gè)希格斯粒子，1億個(gè)W玻色子，以及近1000億個(gè)Z玻色子。利用這些數(shù)據(jù)，人類有望以超越LHC 1個(gè)數(shù)量級(jí)的精度對(duì)希格斯粒子的屬性進(jìn)行精確測(cè)量，并將目前的電弱物理測(cè)量精度提高超過(guò)1個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，CEPC在量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）、味物理等關(guān)鍵測(cè)量上也將發(fā)揮巨大的作用。CEPC未來(lái)可能發(fā)展方向之一是升級(jí)為一個(gè)超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，質(zhì)心能量將達(dá)到100 TeV，可以在大范圍內(nèi)直接尋找新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。

CEPC項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將以《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》為基礎(chǔ)完成關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，計(jì)劃于2018—2022年建成一系列關(guān)鍵部件的原型機(jī)用來(lái)驗(yàn)證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。

CEPC《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》的完成受到了廣泛的贊譽(yù)和支持。國(guó)際未來(lái)加速器委員會(huì)和亞洲未來(lái)加速器委員會(huì)主席、墨爾本大學(xué)教授Geoffrey Taylor評(píng)價(jià)：“這是CEPC這樣一個(gè)用于基礎(chǔ)研究的大型科學(xué)裝置的重要發(fā)展里程碑”“毫無(wú)疑問(wèn)，國(guó)際高能物理界非常希望參加CEPC的研發(fā)和將來(lái)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這將會(huì)大大促進(jìn)對(duì)物質(zhì)最基本組成單元的進(jìn)一步理解。”2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、加州理工大學(xué)教授Barry Barish（領(lǐng)導(dǎo)LIGO實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)引力波）祝賀說(shuō)：“加速器的發(fā)展歷史是實(shí)現(xiàn)越來(lái)越高的能量，并在過(guò)去幾十年中一直都是眾多粒子物理重大發(fā)現(xiàn)所依賴的核心工具。而CEPC將延續(xù)這一偉大傳統(tǒng)！我衷心祝賀CEPC《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》團(tuán)隊(duì)做了如此出色的工作。”

6 結(jié)論

2018年，ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 Higgs粒子的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言高度吻合，同時(shí)在現(xiàn)有掃描范圍之內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)新物理的信號(hào)。利用已有的或不斷積累的對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)（包括LHCb，Belle，BESIII等實(shí)驗(yàn)），粒子物理學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新的強(qiáng)子、新的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量。

暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)掃描了更大的參數(shù)空間，目前尚未找到暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。中微子實(shí)驗(yàn)，特別是耀變體高能中微子信號(hào)，是 2018年最讓人興奮的進(jìn)展之一。技術(shù)的積累和觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步推動(dòng)了多信使天文學(xué)時(shí)代的來(lái)臨。通過(guò)光學(xué)和電磁信號(hào)、中微子、引力波信號(hào)的聯(lián)合觀測(cè)，天空這一“窮人的高能物理實(shí)驗(yàn)室”將不斷帶給人們新的驚喜。

與此同時(shí)，粒子物理學(xué)家正積極設(shè)計(jì)下一代的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并積極爭(zhēng)取政府的支持。歸根結(jié)底，物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，新的設(shè)備和新的觀測(cè)是粒子物理的知識(shí)之源。

致謝：曹俊研究員、何苗研究員的支持和幫助。

（摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2019年第1期）