王貽芳：探索“無窮”物質世界的路上，中國不再缺席
*以下根據王貽芳於2021年11月24日在高山夜話的部分課程內容整理而成，經老師審覈後公開發布。
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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
高能物理是幹什麼的？可以用四個字概括：探索無窮——一邊一層層撩下物質的神秘面紗，揭開“無窮小”的物質結構；另一邊一點點將視角往外拓，發掘“無窮大”的宇宙圖景。
隨着粒子物理的深入，越來越多的新粒子被發現，關於“物質由什麼組成”的“謎底”一次次刷新了我們的認知。而更始料未及的是，這個過程誕生了一個徹底顛覆人類文明生活的關鍵技術——萬維網，並演變成了今天的互聯網。
在過去探究“無窮小”的路上，中國一直處於缺席狀態；但自從八九十年代中國建造了自己的正負電子對撞機，情況慢慢有了好轉，甚至取得了不小的突破。
2012年，我們成功探測到了新的中微子振盪模式；2013年，我們成功看到了第一個四夸克態粒子；2015年，我們開始了江門中微子實驗，未來，將會和與美國的DUNE，以及日本繼超級神岡以後最前沿的中微子探測器HyperK，構成世界三大中微子實驗。
除了鑽研“無窮小”，中國也沒有忘了琢磨“無窮大”，理解宇宙從哪兒來、將往哪兒去。當下的研究正在往這幾個世紀難題攻關：
（1）早期宇宙的模樣
（2）宇宙線的起源與加速之謎
（3）反物質與暗物質
（4）X射線相關的極端宇宙事件
這些研究都建立在性能良好的實驗室和儀器上，所以AliCPT實驗室、四川稻城的宇宙線觀測站LHAASO、高能宇宙輻射探測設施HERD、大型X射線偏振天文臺等等正在積極部署當中——隨着這些國際領先的實驗室和設備正式啓動，中國將有望佔據國際高能物理舞臺上的C位。
很多人蔘觀完高能物理所以後，心中可能充滿了疑惑：
高能物理究竟是幹什麼的？
爲什麼要做這些研究？
目前研究到了哪個階段？
未來我們還想做什麼事情？
接下來我盡力給大家介紹說明——如果大家有什麼想法，歡迎大家隨時提問。
探索無窮
高能物理是幹什麼的？可以用四個字概括：探索無窮——無窮小的物質結構，無窮大的宇宙圖景。
爲什麼要探索這些事？其實也不需要什麼特殊的理由。人類文明發展到一定階段，自然就會考慮這些問題。
2000年前，古希臘的哲學家、科學家就在思考這些有關宇宙的問題，思考我們所處的物質世界。
幾乎在同一個時候，我們中國的思想家也思考了類似的問題。
無論對錯，這些思考都達到了一個新高度。一個文明能有這些偉大的人物，我們都爲之驕傲。
可惜到了近代，我們對物質世界、宇宙的理解與思考遠遠落後於西方人。現在的相關知識與理論，不能說100%，但近90%以上都來源於西方的思想家和科學家。我們自然也希望能在科學的深度與高度上，也能像文學、藝術、音樂、美術、體育一樣，跟西方切磋比劃。
經常有人問：科學有什麼用？其實科學就是比腦袋、比思想，看誰更深刻、更前瞻，也不見得一定要有啥用。作爲一個偉大的文明，就應該有類似的文明果實，而不是說非得從科學中獲得些什麼才搞科學。
搞科學自然是會有收穫的，但那不是科學的出發點。事實上，如果是帶着功利的初心去做，研究一定做不好，因爲你會不斷算計所謂的付出和收穫，看它們是否成比例，而一旦有了這樣的計算，你就會陷入猶豫，甚至放棄，尤其是像科學這種難以直接計算產出的事。
無窮小
粒子物理研究的就是物質的最小結構，一層一層往下深挖，以至“無窮小”。
在過去數百年的科學研究中，構成物質世界的最基本結構從“原子”發展到了“原子核”“核子”“夸克”這麼多層次，每一個層次都是一個新的領域。有些人停留在當前的層次，進行橫向探索，而另一些人則繼續往下走，垂直挖掘。高能物理是後者。
那麼對物質的基本結構，我們是怎麼進行研究的？
最早我們靠的是顯微鏡。顯微鏡實際上就是用光波看，所以光波的波長也是我們看得到的最小尺度，即10⁻⁷米。
再往下，用的是電子顯微鏡。電子的波長比光子小得多，把可觀測的最小尺度又推進了三個量級，到達10 -10米。
但正常情況下的電子能量終究是有限的。所以需要依靠加速器把電子提升到更高的能量，即更短的波長。如此一來，可以觀測到的最小尺寸又提升了5個量級，約10 -15米。
未來再往下也一樣，由於測不準原理，除了提高能量、減小波長以外，別無他法。所以大家剛纔參觀的加速器和探測器，就是我們當前研究前沿微觀世界最基本的手段。
標準模型誕生
2000年前，古希臘人開始思考構成物質世界的最小單元，並給它起了一個名字，叫原子。
到了十九世紀末、二十世紀初，我們發現了物質更精細的結構，也就是中學時特別熟悉的行星模型——原子核裡有質子和中子，而電子在外面繞着它轉。
直到上世紀五六十年代，我們在加速器實驗中發現數百個新粒子。這些新粒子在當時漂亮的體系下完全沒必要存在，一時也不知道往哪擱。
到了1964年，加州理工學院的蓋爾曼大膽猜測：這幾百種新粒子不全是基本粒子，其中必然存在某一種更深層次的結構，再由它們構成了這幾百種全新的粒子，就像質子、中子、電子構成了週期表上各種元素，以及各種元素構成了我們生活中各種材料一樣。
由此，蓋爾曼提出了一個極其簡單的模型，粒子只有三種內部結構，他稱之爲夸克——上夸克 （u）、下夸克 （d）、奇異夸克 （s）。這些夸克可以以兩個夸克 （一正一反）構成一個介子，也可以以三個夸克構成一個重子。
在這兩種模式下，這些夸克的不同排列組合給出了當時發現的幾百種粒子的內部結構組成，並且成功預言了幾種當時還沒發現，但後來被證實的新粒子。
無疑，夸克模型取得了巨大的成功。蓋爾曼在1964年提出夸克模型，1969年就得了諾貝爾獎。
但夸克模型同時也帶來了很多疑問，比如：爲什麼粒子不能由四個、五個甚至更多夸克組成？另外，爲什麼夸克沒有第4種、第5種、第6種？
果然，很快我們發現了第4種夸克。
1974年，丁肇中發現了一個全新的粒子，也就是J粒子。由於J粒子不能被三種夸克所解釋，第四種夸克，即粲夸克 （c）也浮出了水面。丁肇中也因此獲得了1976年的諾貝爾獎。
再後來，第五種、第六種夸克，即底夸克、頂夸克也相應被發現。不過由於前面已經有了4種夸克，更多的夸克也顯得不再意外，就再沒有獲得諾貝爾獎。
除了夸克之外，基本粒子另外還有一大類，叫輕子。我們發現的第一種基本粒子 （即1897年發現的電子）就是一種輕子。
後來在1936年，我們發現了另一種和電子極其相似，除了質量以外其他性質都一樣的輕子，取名爲μ子。1975年，我們接着又發現了一個類似但比電子、μ子都更重的輕子，叫τ子。
事實上夸克的情況也類似——上、下夸克是最輕的第一代，而粲、奇異夸克，以及頂、底夸克，分別對應着一個性質雷同，但越來越重的第二、第三代。
另外1930年泡利從β衰變“能量不守恆”的現象中，提出了一種近乎隱形的新基本粒子。這種粒子悄悄拐走了電子的能量，並在1956年的時候被觀測到，它就是中微子。跟電子對應的中微子叫電子中微子，而跟μ子、τ子對應的分別叫μ中微子、τ中微子。
當然，很多人會問，既然有了第一、第二、第三代，會不會也有第四代？美國斯坦福直線加速器和歐洲核子中心27公里長的大型正負電子對撞機發現，中微子只有三代，也就意味着輕子、夸克也只有三代，沒有第四代。所有的基本粒子似乎全在這兒了，至於爲什麼，目前爲止我們還沒有搞清楚。
在這個模型下，物質世界簡潔、對稱得極其美妙。各種物質都可以由這些基本粒子搭建起來。
這些粒子之間彼此產生聯繫，都是通過相互作用力——或者傳遞這些相互作用的粒子（場）實現的。我們現在已經知道：傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞強相互作用的是膠子，傳遞弱相互作用的是W和Z玻色子。
除此之外，在2012年，標準模型的一個靈魂粒子，就是希格斯粒子，終於被發現。
一直以來，基本粒子重量不一背後的機制成謎，而希格斯粒子關係到所有粒子質量的起源，終於在全世界上萬名科學家、工程師30多年的努力下被破解。這是粒子物理一個重大的歷史性時刻。
而在這個過程中，這樣一個看似不着邊際的研究產生了一個徹底顛覆人類文明生活的關鍵技術——萬維網，即基於互聯網的文件、數據交互傳輸方案和技術。我們現在所用的網站、瀏覽器及其底層技術等就是歐洲核子中心的科學家發明的。
所以說，如果非要計算科研的用處或性價比的話，光是這一項成果以及它帶動的經濟產出，就已經遠遠超過此前人類在粒子物理及整個基礎科學研究的全部投入。
中國不再缺席
到目前爲止，粒子物理標準模型獲得了差不多三十個諾貝爾獎，是人類文明發展的最高點之一，或者說是目前已知的最漂亮的科學理論之一。
但遺憾的是，這麼多的重大發現、這麼多的諾貝爾獎，卻跟中國一點關係都沒有。所以八十年代初，鄧小平拍板建造了北京正負電子對撞機。
目的有兩個，一個是追趕國際高能物理髮展的步伐，讓中國在世界的科學與技術領域佔領一席之地；另一個是藉助基礎科研跟國際科學界的聯繫，帶動我們的國際合作和開放，打破禁運和技術封鎖。當時建造北京正負電子對撞機所需要的各種設備，包括計算機都可以不受禁運限制。
1984年10月7日，北京正負電子對撞機項目破土動工，1988年完成第一次對撞。經費投入是2.4億人民幣——後來又進行了一次改造，花了6.4億人民幣。
很多人認爲高能物理很燒錢，但如果把時間尺度、用戶人數都考量進去，回過頭看，至今長達約40年左右，每年都有數百上千人的研究使用這個設備，八九億的科研設備絕對稱得上是價廉物美。
而且在這個過程中，我們的很多技術水平也一下子提了起來，填補了二三十年的差距。除了技術的發展，我們在科學發現上也有一些重大突破。
四夸克態粒子
關於夸克模型，我們剛纔提出了一個疑問：爲什麼只有兩個或三個夸克組合而成的粒子？
那麼事實上在2013年，我們成功看到了第一個由四個夸克 （兩個c、一個u、一個d）組成的粒子，國際上主要的科學媒體都做了報道，甚至在《物理》雜誌2013年國際物理學十一項重要成果中位列榜首，在世界科學發展史上留下了我們的足跡。
中微子
關於標準模型，除了夸克、電子及其較重的兄弟之外，剛纔還提到了一個基本粒子：中微子。
中微子的存在一直相當奇特。除了它難以探測、幽靈般的存在以外，性質也很怪異，它只存在左旋，沒有右旋——換言之，它造成了弱相互作用下的宇稱不守恆。
另外，中微子的質量一直是個謎。
在粒子物理的標準模型中，根據螺旋性測量，中微子的質量被假設爲0。但在宇宙學的標準模型中，宇宙今天形成的大尺度結構以及不均勻的密度，要求中微子質量不爲0。那麼中微子質量到底是不是0？
1950年代，意大利物理學家龐特科沃指出：中微子可以發生振盪，即從一種中微子變到另外一種中微子；當中微子發生振盪，振盪的機率跟中微子的質量有關——質量如果等於0，中微子不會振盪。
反之，如果發現了振盪，首先從定性上，這意味着中微子是有質量的；另外定量上，如果能把振盪的數據測出來，我們就可以得出中微子的相對質量或者質量差。
經過40年的折騰，日本的超級神岡探測器在1998年觀測到了大氣中微子振盪，加拿大的薩德伯裡觀測站也在2002年觀測到太陽中微子振盪，並給出了中微子的質量差。
從這兩個實驗，我們看到：至少有其中兩種中微子的質量不爲0——當然，最輕的中微子仍然存在質量爲0的可能，但是機率很小。
不過這麼一來，既然我們看到了兩種中微子的振盪：θ₁₂，θ₂₃，很自然，我們也好奇中微子θ₁₃的振盪情況是怎樣的。
當時大部分的中微子振盪模型都認爲 θ₁₃爲0，因爲振盪公式和矩陣寫下來特別乾脆漂亮，不爲0的話，就難看得多。很多理論物理學家還是傾向於相信宇宙符合優美的數學形式。但顯然，理論歸理論、美學歸美學，科學需要實證。
於是我們開始了大亞灣實驗。2003年，我們提出在距離反應堆1.5公里左右、中微子振盪最大的地方建一個探測器，探測它的振幅θ₁₃。探測器是由8個各100噸的圓柱體組成，其中真正的靶質量是20噸。
2012年3月8日，我們成功探測到了新的中微子振盪模式——從反應堆出來的電子中微子在飛行了1.5公里之後，9%變成了其他的中微子。另外，我們也分析了中微子振盪隨距離的變化。這項發現在國際上產生了很大的影響，也被美國《科學》雜誌 （Science）列爲2012年度十大科學突破。
隨後在2015年，我們開始了一個新的實驗，也就是江門中微子實驗。
我們在中微子振盪另外一個極大值位置，即中微子源的52公里外，放置一個更大的探測器，2萬噸，是大亞灣實驗的200倍。因爲距離越遠，中微子的通量就越小，探測器要越大。選址在廣東江門，是因爲那裡有一座山，可以在地下建這個探測器，同時跟陽江、台山兩個核電站等距，相當於將中微子通量提高了一倍。
通過這個實驗，我們想做到什麼？
第一，瞭解中微子的質量順序。前面提到的中微子實驗，最後測出的是中微子質量差的絕對值，所以實際上我們並不知道孰重孰輕——接下來如果測出了正負符號，我們就能給它們的質量排序。
第二，把中微子振盪參數的精確度提高一個量級。此外我們還可以研究更多中微子現象，比如超新星中微子、地球中微子、太陽中微子等等，特別是超新星中微子，到目前爲止，我們只看到了20個來自超新星爆發的中微子，其中日本的小柴昌俊也因爲看到了這20個當中的12個，創立了中微子天文學而獲得了諾貝爾獎。
除此之外，還有其他東西可以做。比如2030年以後，我們還可以對實驗進行改造，轉到測量中微子的絕對質量，前面測量的都是相對質量，但我們終究是希望能知道它到底是多少。
這個江門中微子探測器，將會和與美國的DUNE，以及日本繼超級神岡以後最前沿的中微子探測器HyperK，構成世界三大中微子實驗。這兩個設備約2027～2029年建設完成，而我們是2023年建成，所以我們將有一個4年左右的時間優勢。
當然，當中的技術是非常困難的。
首先是地下的土建工程，50米寬、70米高的地下洞室，是中國乃至世界上已知的跨度最大的民用地下洞室。
其次，它需要的液體閃爍探測器比世界上現有最大的探測器還要大20倍，而透明度也是世界最好，衰減長度可達25m (相比大亞灣實驗是15米)。其中，涉及一個世界上最大的有機玻璃球，能裝下2萬噸的液體閃爍體。我們可以想象，如果一個集裝箱是20噸，這體積得走1000趟才能灌滿。
另外，探測器捕捉光子的性能要提高5倍，而這就涉及剛纔我們參觀時看到的光電倍增管的靈敏度。
最終我們做成了。成功發明並繞過已有的各種專利，掌握了全部最佳的工藝，實現了完全自主的知識產權。而且做成以後，這不光是能給江門中微子設施提供光電倍增管進行實驗，企業也設立了研究院推進其它的應用方向，如高速光電器件。
無窮大
除了無窮小，在高能所我們的另一個研究方向是無窮大，理解宇宙從哪兒來、將往哪兒去。
從無窮小到無窮大，看起來是南轅北轍，但實際上是殊途同歸。因爲要想搞清楚小尺度的內部結構需要高能量把粒子打碎，而在宇宙尺度上，由於宇宙是從一場大爆炸誕生，它的研究也同樣涉及了高溫和高能量。
無窮大的研究以及中國的研究現狀主要聚焦在以下幾個方面：
早期宇宙的面貌
宇宙微波背景輻射是早期宇宙殘留下來的遺蹟，跟其他的天文觀測一起確立了宇宙大爆炸和暗能量的存在。
在這過程中，微波背景輻射的研究產生過兩個諾貝爾獎；如果能精確測量宇宙微波背景輻射，我們還可以探測是否存在原初引力波，也就能夠知道宇宙早期是否有暴漲這個過程及其產生的原初引力波是什麼樣子。
藍色爲觀測微波背景輻射的理想地點
從這張圖上，大家可以看到，整個南極和北半球上的格林蘭、西藏阿里都是宇宙微波背景輻射的理想地點。對於我們來講，西藏阿里是開展微波背景輻射最好的場所。
所以我們正建設着一個AliCPT實驗， 2022年應該可以完成一期工程，開始投入觀測。這將是中國微波背景輻射觀測的開始，過去我們從來沒有類似的實驗，同時作爲北半球近乎唯一的觀測窗口，我們也將在國際上佔據一個重要的地位，出來一些重大發現。
宇宙線的起源與加速之謎
宇宙線雖然在1912年首次被發現，但它究竟從哪來、怎麼樣被加速到這麼高的能量，很多問題至今爲止還是未知。
1950年代，我們在規劃基礎科研的時候，就開始了在雲南高山站的宇宙線研究。到了90年代，又在西藏羊八井開展了中日合作的ASγ實驗，以及中意合作的ARGO實驗。
最近，我們四川稻城的宇宙線觀測站LHAASO也建成了，現在是國際上最好的宇宙線和伽馬天文觀測設施。探測器剛運行了一年，已經觀測到一些非常重要的結果。
反物質與暗物質
丁肇中領導的一個實驗，叫AMS，在空間當中放一個磁譜儀，可以測量與區分不同的粒子，如正電子、負電子、質子、反質子等。
接下來在2025～2027年，我們還會在中國空間站上建設高能宇宙輻射探測設施HERD，用在宇宙線成分的精確測量和暗物質搜尋。剛纔參觀的時候我給大家看了個小模型，由於我們在世界上全新的三維成像技術，以及五面靈敏量能器的創新設計，HERD在有效接受度等方面提高了一個量級，人家是零點幾，而我們是2～3。
接受度之所以重要，是因爲低能量區間沒有發現的話，我們需要到更高的能量區間去找，但能量越高，粒子數越少，那麼接收度就得提高。簡單粗暴的做法是把接收器做大一點，但成本也會相應提高。在有限成本、相同重量與大小的情況下，我們已經做到了接收得比別人多得多。
所以我們相信HERD上天以後，會有國際領先的科研成果。
X射線相關的極端宇宙事件
慧眼衛星2017年6月15日發射成功，在轟動全球的雙中子星併合產生引力波及電磁對應體事件、快速射電暴 (FRB)等方面取得了一系列重要的成果。
預計在2027年左右，我們將發射一個新的大型X射線偏振天文臺，可以研究黑洞、中子星等極端宇宙環境，也可以研究宇宙線。這些都是國際領先的設備，一半來自國際的貢獻，對提高我們在國際舞臺合作的深度、水平和影響力有非常重要的推動作用。
中國的粒子物理和粒子天體物理研究的現狀及規劃
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