文/万物科普馆
编辑/万物科普馆
研究粒子物理的最有力工具
加快器一直以来是研究粒子物理与核物理最有力的实验工具，目宿天下上加快器粒子物理主要分为两大类：一类是高能量前沿；另外一类是高亮度前沿。
高能量前沿主要以西欧核子中心的大型强子对撞机为代表，主要探求超出尺度模子的新粒子和新相互作用。而高亮度前沿主要利用高强度粒子加快器来产生大量所需要的反应事例，从而精确查验粒子物理尺度模子，探求大概的新物理信号。
比如以日本超级B介子工厂和中国北京正负电子对撞机（BEPC）为代表的正负电子对撞实验，主要研究味物理、电弱和强相互作用等，精确测量繆轻子反常磁矩（g-2）实验，另有探求尺度模子禁闭过程，比如带电轻子味粉碎、重子数和轻子数粉碎过程的实验等。
基于加快器的中微子实验也属于高亮度前沿。基于加快器的粒子物理实验主要是用来精确查验理论模子，探求未知的新粒子和新相互作用。
粒子物理是研究物质的基本构成和基本相互作用规律的科学，作为粒子物理的尺度模子，三代夸克-轻子模子以及电弱同一理论、量子色动力学理论模子得到了大量实验的查验和支持，并在核物理、天体物理和宇宙学中得到广泛应用。
尺度模子预期的最后一个与粒子质量泉源相关的粒子，即希格斯（Higgs）粒子的发现是人类对物质天下认识的一个里程碑，它打开了粒子物理研究的新篇章。Higgs粒子的发现使理论碰到了更大的寻衅。
由于Higgs粒子与其他粒子的耦合，即相互作用，是不同于已知的强相互作用、电弱相互作用或者引力相互作用的全新相互作用。此外，尺度模子也不能为解开暗物质和宇宙正反物质不对称之谜提供任何信息。
加快器粒子物理
根据需要回答的庞大科学标题和相应研究手段，与加快器有关的粒子物理主要分成了如下两个前沿。
(1）高能量前沿（energy frontier)
通过研究未达达过的能量地区来发现新粒子、新征象。欧洲大型强子对撞机（LHC）和正在计划的直线对撞机，几十至100 Te V的环形对撞机属此前沿，比如中国的环形正负电子对撞机（CEPC）和超级质子-质子对撞机（Spp C）。
(2）高强/亮度前沿（intensity frontier)
借助能产生高通量粒子的装置，通过精密测量来深入研究粒子的特性，发现新粒子和新征象。北京正负电子对撞机，日本的超级B介子工厂，计划中的加快器长基线中微子实验和超级玻色子工厂、超级粲介子工厂等属此前沿。
粒子物理研究一直非常生动。在理论方面，唯象研究、格点计算、新物理模子及弦理论等均发展敏捷。在实验方面，LHC将在以后约20年继续引领高能量前沿，北京谱仪（BESIII）和即将运行的超级B介子工厂上的Belle II在tau-charm和重维物理领域引领高精度前沿。这些基于加快器的实验装置为粒子物理研究提供了新的机会，也提出了新的寻衅。
Higgs粒子被发现后，粒子物理需要回答的庞大科学标题主要有如下几个：
尺度模子的Higgs粒子反映什么样的相互作用，另有其他的Higgs粒子吗？暗物质和暗能量是什么？中微子的属性是什么（质量、类型）？
宇宙线粒子给我们带来什么信息（劈头、成分和加快机制）？极端条件下的物质形态是什么，是否存在奇特物质？为什么宇宙正反物质不对称？万有引力怎样与弱电及强相互作用同一？
这些都是粒子物理研究的热点标题，同时也是基于加快器实验物理研究的紧张方向。这些标题的回答，对人类了解物质天下最基本的组分和结构及其相互作用的规律以至宇宙劈头和演化至关紧张。探求这些标题的答案需要突破许多关键技术、制作大型实验装置，同时需要在理论和实验方面长期共同的努力。
中国加快器粒子物理实验领域的总体发展水平
中国该领域发表的SCI论文数目从2009-2011年的1663篇增长至2012-2014年的2 211篇，位居后3年的天下第2位；表征学术影响力的被引频次从前3年的第5位上升至后3年的第4位。
与美国相比，中国在该领域还存在肯定的差距，2012-2014年的论文数目仅为美国的61.4%，引文数目仅为美国的37.0%。
国际学术影响力的提拔滞后于SCI论文数目的增长是现阶段中国加快粒子物理实验领域的发展特点之一。因此，在论文数目急速增加的同时提拔科研结果的质量，是我国加快器粒子物理实验领域发展的重中之重。
中国的加快器物理主要以北京正负电子对撞机为主，自1980年代末运行以来，BEPC的亮度一直居同类对撞机中的领先职位，BEPC的束流能量为1.0～2.5Ge V，运行在粲夸克偶素、粲夸克和轻子能区。
它由200 m长的电子直线加快器（注入器）、110m长的输运线和周长240 m的储存环构成。北京谱仪（BES）安装在储存环的一个对撞点上，探测正负电子对撞后产生的各种粒子，进行高能物理研究。
BEPC/BES的建成带动了中国一些相关的高技术领域（如高频、高真空、精密磁铁、大型探测器、快电子学、计算机网络技术）的发展。20世纪90年代，BEPC和BES进行了第一次升级改造，使BEPC的亮度及BES的性能得到进步和改善。
从2004年起更先辈的BEPCⅡ/BESⅢ升级改造计划于2008年完成。改进后的BEPCⅡ将对撞的亮度进步了100倍，质心系能量为2.0～4.6 Ge V.BESⅢ取得了一批紧张结果，为天下所瞩目。
同时在粲介子和粲重子领域也有所突破，特殊是粲介子绝对分支比和衰变性子的测量等得到国际重味物理领域研究职员的极大关注。除了进行高能物理研究外，BEPC还提供了同步辐射应用研究，多年来在同步辐射的应用研究上（如质料科学、生物、凝结态物理、微电子学等）得到了许多紧张结果。
在粒子物理方面取得的进步
我国近些年来在粒子物理研究领域中取得了长足的进步，基于加快器的粒子物理研究结果主要包罗如下几方面。
(1）北京谱仪实验BESIII引领tau-charm物理研究
BESIII/BEPCII是天下上唯一直接运行在粲夸克能区的正负电子对撞机，它运行良好且在该能区全面获取了天下上最大的数据样本，并取得了一批紧张结果。BESIII确认了X(1835）量子态和质子-反质子阈值增长结构的存在；
还发现系列轻强子态，比如X(2120）和X(2370）等；尤其是ZC系列共振态的观察，为探求奇特强子和多夸克态提供了紧张的信息，为天下所瞩目。另外，在轻子谱学方面，BESIII一直以来都是研究中心。
尤其紧张的是在粲介子和粲重子物理研究方面，最近几年BESIII取得一系列紧张结果，比如精确测量粲介子半轻子衰变、粲重子绝对分支比测量等，此中粲重子的绝对衰变率的测量是BESIII以后几年的特色，是其他对撞机实验不可代替的。
我国在此领域的理论和实验物理及相关加快器、探测器技术和软件等方面均有一支相当成熟的国际一流队伍，为我国其他大科学工程项目（如大亚湾反应堆中微子实验）建设发挥了人才和技术支持的关键作用。
(2）在LHC实验上做出紧张贡献
近些年我国吸引了一批在LHC实验中发展起来的良好人才回国，较大水平地增强了我国在高能量前沿领域研究的力气。我国科学家在ATLAS和CMS两个实验上都做出了直接贡献，并在探求新物理方面开展了一些独特的工作，取得了可喜的结果，在物理分析和升级改造中正在发挥越来越紧张的作用。
(3）国际相助得到增强
我国科学家在LHCb、ALICE、Belle/Belle II等实验上取得了一系列可喜结果。此中，在发现含粲五夸克态候选者的LHCb实验中，中国科学家做出了主要贡献。
而在亮度前沿，我国也参加了日本的COMET实验，探求缪轻子到电子的转换过程，即轻子味粉碎过程，是高亮度领域探求新物理的黄金过程；同时我国也参加了美国的无中微子双贝他衰变、长基线中微子实验等。
固然我国粒子物理的研究队伍在过去几年有所增强，发展较快，但与发达国家相比，不论是在队伍数目、经费投入，还是关键技术和方法的掌握上都有量级的差异，与大国的职位还远不相当，反映国家综合力气的粒子物理研究迫切需要大幅提拔。
粒子加快，探测和实验技术是粒子物理和核物剃头展的紧张保证，也是核技术在国民经济建设各方面进一步应用发展的条件。粒子物理实验及相关技术是我国粒子物剃头展的最单薄环节。
它受限于我国相对单薄和落后的工业基础和科技综合力气，也受限于我国尚显年轻的粒子物理实验研究和较为弱小的研究队伍，以及我国以发表文章为主要目标的各种评审和选拔制度。
将来，我国应该鼎力大举一连增强对实验方法和技术研究的支持，建立相应的平台，如先辈粒子加快器平台、粒子探测方法和技术平台等，以期通过5～10年的努力，使我国的实验方法和技术有较大提拔，这对突破我国粒子物剃头展的瓶颈，大幅度进步我国综合实验技术，以及打破对我国高新技术的禁运具有紧张意义。
粒子探测和实验技术在向着高精度和多功能的方向发展，探测器的规模和复杂水平与日俱增。我国需要在高时间分辨探测技术（皮秒量级，即10-12s）、高位置分辨探测技术（微米量级）、新探测方法和技术（包罗相应电子学）方面进行研制攻关，以适应高能（Te V）以及高亮度核与粒子物理实验及有数事例（例如暗物质）探测等高精度物理测量对探测技术的要求。
将来-加快器粒子物理的发展布局
展望将来，我国以后基于加快器粒子物理的发展布局大致如下。
(1）保障稳定支持由庞大科学前沿标题作牵引、已取得庞大结果、且达到国际一流或处于领先职位的研究，如BESIII实验。实时思量BESIII的进一步升级改造，在现有装置上扩展BEPCII的能量范围，比如质心能量达到4.8 Ge V的近期升级，提拔亮度的远期升级，使BESIII在粲重子领域和大概的高激发态粲偶素方面有所创新。
(2）积极参加国际相助，大幅度进步对国际最前沿、最先辈、最具生命力和发现潜力的超大型科学装置的实验和理论研究，如参加LHC上的实验及其升级改造工作。
(3）实时构造和鼎力大举支持有庞大发现潜力和独特优势的实验装置宁静台建设及相关实验和理论研究，如基于加快器的中微子实验、muon轻子物理实验、高亮度实验（超级粲工厂）、超级Z工厂、Higgs工厂（CEPC），和正在规划的100 Te V超级质子对撞机（Spp S）等。
(4）稳定和鼎力大举支持粒子物理实验技术和方法的研究。
(5）实时规划到场和支持下一代有庞大前沿科学目标和庞大技术寻衅的国际相助实验，如直线对撞机、欧洲下一代环形对撞机、美国长基线中微子实验。
(6）鼓励和扶持粒子物理及相关技术与天体、宇宙学、生物、医学的交织。
盼望我国在国际粒子物理领域有紧张创新，主要研究集中在强子谱、奇特强子、粲介子和粲重子、Te V物理和基于加快器的长基线中微子领域等。
我国有望形成一两个在国际上有影响力的粒子物理综合研究中心，目前该领域的科学家已对此有很好的想法，但这些中心需要大装置和相应投入作支持。正在进行的将来规划中，具有代表性的实验装置是中国环形正负电子对撞机（CEPC）和远期的超级质-质子对撞机。
此中CEPC可以引领天下研究希格斯粒子的性子，而Spp C远期规划要依靠于CERN的LHC和CEPC上的实验结果。这些实验装置定将引领天下，为中国成为天下科技强国奠基基础。
由于粒子物理研究的基础前沿性、全球相助性和对先辈技术和方法需求的综合性和超前性，人才造就和研究项目周期长、耗费大，结果共享，以办理庞大科学基础标题为牵引，发表文章数目少且作者为全体相助构成员，粒子物理的发展有其独特的规律和评价体系。
要促进粒子物剃头展，我国现行的政策和情况尚有很大的改进余地，应根据新形势实时订定适应大国职位的战略步调和实行方案，以期在能反映我国综合科技能力的粒子物理研究中抓住机会，取得突破，且发挥以点带面作用，促进我国科技发展，取得与我国大国职位相适应的结果，造就出国际一流的人才队伍。 |
