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
加速器一直以来是研究粒子物理与核物理最有力的实验工具，目前世界上加速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，主要寻找超出标准模型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速器来产生大量所需要的反应事例，从而精确检验粒子物理标准模型，寻找可能的新物理信号。
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，还有寻找标准模型禁闭过程，比如带电轻子味破坏、重子数和轻子数破坏过程的实验等。
基于加速器的中微子实验也属于高亮度前沿。基于加速器的粒子物理实验主要是用来精确检验理论模型，寻找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，作为粒子物理的标准模型，三代夸克-轻子模型以及电弱统一理论、量子色动力学理论模型得到了大量实验的检验和支持，并在核物理、天体物理和宇宙学中得到广泛应用。
标准模型预期的最后一个与粒子质量来源相关的粒子，即希格斯（Higgs）粒子的发现是人类对物质世界认识的一个里程碑，它打开了粒子物理研究的新篇章。Higgs粒子的发现使理论遇到了更大的挑战。
因为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，标准模型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。
加速器粒子物理
根据需要回答的重大科学问题和相应研究手段，与加速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区域来发现新粒子、新现象。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，发现新粒子和新现象。北京正负电子对撞机，日本的超级B介子工厂，计划中的加速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。
粒子物理研究一直十分活跃。在理论方面，唯象研究、格点计算、新物理模型及弦理论等均发展迅速。在实验方面，LHC将在今后约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。这些基于加速器的实验装置为粒子物理研究提供了新的机遇，也提出了新的挑战。
Higgs粒子被发现后，粒子物理需要回答的重大科学问题主要有如下几个：
标准模型的Higgs粒子反映什么样的相互作用，还有其他的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（起源、成分和加速机制）？极端条件下的物质形态是什么，是否存在奇异物质？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统一？
这些都是粒子物理研究的热点问题，同时也是基于加速器实验物理研究的重要方向。这些问题的回答，对人类了解物质世界最基本的组分和结构及其相互作用的规律以至宇宙起源和演化至关重要。寻找这些问题的答案需要突破许多关键技术、建造大型实验装置，同时需要在理论和实验方面长期共同的努力。
中国加速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论文数量从2009-2011年的1663篇增长至2012-2014年的2 211篇，位居后3年的世界第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一定的差距，2012-2014年的论文数量仅为美国的61.4%，引文数量仅为美国的37.0%。
国际学术影响力的提升滞后于SCI论文数量的增长是现阶段中国加速粒子物理实验领域的发展特点之一。因此，在论文数量急速增加的同时提升科研成果的质量，是我国加速器粒子物理实验领域发展的重中之重。
中国的加速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地位，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长的电子直线加速器（注入器）、110m长的输运线和周长240 m的储存环组成。北京谱仪（BES）安装在储存环的一个对撞点上游戏引擎 粒子系统编辑，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的性能得到提高和改善。
从2004年起更先进的BEPCⅡ/BESⅢ升级改造计划于2008年完成。改进后的BEPCⅡ将对撞的亮度提高了100倍，质心系能量为2.0～4.6 Ge V.BESⅢ取得了一批重要成果，为世界所瞩目。
同时在粲介子和粲重子领域也有所突破，特别是粲介子绝对分支比和衰变性质的测量等得到国际重味物理领域研究人员的极大关注。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（如材料科学、生物、凝聚态物理、微电子学等）获得了许多重要成果。
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，基于加速器的粒子物理研究成果主要包括如下几方面。
(1）北京谱仪实验BESIII引领tau-charm物理研究
BESIII/BEPCII是世界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世界上最大的数据样本，并取得了一批重要成果。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，为寻找奇异强子和多夸克态提供了重要的信息，为世界所瞩目。另外，在轻子谱学方面，BESIII一直以来都是研究中心。
尤其重要的是在粲介子和粲重子物理研究方面，最近几年BESIII取得一系列重要成果，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，其中粲重子的绝对衰变率的测量是BESIII今后几年的特色，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速器、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撑的关键作用。
(2）在LHC实验上做出重要贡献
近些年我国吸引了一批在LHC实验中成长起来的优秀人才回国，较大程度地加强了我国在高能量前沿领域研究的实力。我国科学家在ATLAS和CMS两个实验上都做出了直接贡献，并在寻找新物理方面开展了一些独特的工作，取得了可喜的成果，在物理分析和升级改造中正在发挥越来越重要的作用。
(3）国际合作得到加强
我国科学家在LHCb、ALICE、Belle/Belle II等实验上取得了一系列可喜成果。其中，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，寻找缪轻子到电子的转换过程，即轻子味破坏过程，是高亮度领域寻找新物理的黄金过程；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。
虽然我国粒子物理的研究队伍在过去几年有所加强，发展较快，但与发达国家相比，不论是在队伍数量、经费投入，还是关键技术和方法的掌握上都有量级的差别，与大国的地位还远不相称，反映国家综合实力的粒子物理研究迫切需要大幅提升。
粒子加速，探测和实验技术是粒子物理和核物理发展的重要保证，也是核技术在国民经济建设各方面进一步应用发展的前提。粒子物理实验及相关技术是我国粒子物理发展的最薄弱环节。
它受限于我国相对薄弱和落后的工业基础和科技综合实力，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。
未来，我国应该大力持续加强对实验方法和技术研究的支持，建立相应的平台，如先进粒子加速器平台、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升，这对突破我国粒子物理发展的瓶颈，大幅度提高我国综合实验技术，以及打破对我国高新技术的禁运具有重要意义。
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程度与日俱增。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（包括相应电子学）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稀有事例（例如暗物质）探测等高精度物理测量对探测技术的要求。
未来-加速器粒子物理的发展布局
展望未来，我国今后基于加速器粒子物理的发展布局大致如下。
(1）保障稳定支持由重大科学前沿问题作牵引、已取得重大成果、且达到国际一流或处于领先地位的研究，如BESIII实验。及时考虑BESIII的进一步升级改造UI界面，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，提升亮度的远期升级，使BESIII在粲重子领域和可能的高激发态粲偶素方面有所创新。
(2）积极参加国际合作，大幅度提高对国际最前沿、最先进、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游戏策划，如参加LHC上的实验及其升级改造工作。
(3）及时组织和大力支持有重大发现潜力和独特优势的实验装置和平台建设及相关实验和理论研究，如基于加速器的中微子实验、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）稳定和大力支持粒子物理实验技术和方法的研究。
(5）及时规划参与和支持下一代有重大前沿科学目标和重大技术挑战的国际合作实验，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、医学的交叉。
希望我国在国际粒子物理领域有重要创新，主要研究集中在强子谱、奇异强子、粲介子和粲重子、Te V物理和基于加速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撑。正在进行的未来规划中，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。
其中CEPC可以引领世界研究希格斯粒子的性质，而Spp C远期规划要依赖于CERN的LHC和CEPC上的实验结果。这些实验装置定将引领世界游戏引擎 粒子系统编辑，为中国成为世界科技强国奠定基础。
由于粒子物理研究的基础前沿性、全球合作性和对先进技术和方法需求的综合性和超前性，人才培养和研究项目周期长、花费大，成果共享，以解决重大科学基础问题为牵引，发表文章数目少且作者为全体合作组成员，粒子物理的发展有其独特的规律和评价体系。
要促进粒子物理发展，我国现行的政策和环境尚有很大的改进余地，应根据新形势及时制定适应大国地位的战略步骤和实施方案，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遇，取得突破，且发挥以点带面作用，促进我国科技发展，取得与我国大国地位相适应的成果，培养出国际一流的人才队伍。
