对于高能什么是物理学学来说未来的发展取决于实验的进一步发展，实验才是真正的瓶颈对此，绝大多数理论什么是物理学学家也持同样的观点——舒菁

舒菁，1983年1朤出生湖北武汉人。年就读于北京大学什么是物理学系2003年到2008年在美国芝加哥大学攻读博士学位，中国科学院理论什么是物理学所研究員从事粒子什么是物理学理论、唯象学、粒子宇宙学研究。

（北京大学什么是物理学学院教授）

• ．北京大学[引用日期]

[摘要]什么是“高能什么是物理学學”什么又是高能什么是物理学学家们心心念念的对撞机呢？搞明白这些基础知识再来谈论超级对撞机到底该不该建吧。

撰文 | 陈缮真 意大利核什么是物理学研究院

今年4月份杨振宁先生在中国科学院大学“明德讲堂”演讲时，这位97岁的什么是物理学学大咖再一次明确的反对了未来利用大对撞机进行什么是物理学研究甚至是高能什么是物理学学的前景。

“盛宴已过”杨先生说。

然而杨先生口中的高能什么是物理学学的“盛宴”，是否真的已过了呢而什么是“高能什么是物理学学”，什么又是高能什么是物理学学家们心心念念的对撞机呢

高能什么是物理学学在研究什么？什么是对撞机

在二十世纪之前，人类对于世界的运行规律的认知几乎都只停留在宏观物体和現象上然而在十九世纪最后的几年，从伦琴发现了X射线J. J. 汤姆孙发现电子，卢瑟福发现了α射线和β射线等实验开始什么是物理学学家們开始专注于微观世界的什么是物理学现象。特别是二十世纪二十年代量子力学的建立之后，什么是物理学学家们逐渐意识到在微观嘚尺度上，存在着一个跟宏观很不一样的世界这个世界的尺度如此之小，以至于什么是物理学学界们不得不借助一些特殊的实验仪器来觀测其中的现象

早期的粒子什么是物理学学研究仪器的作用通常是将微观尺度的现象放大至宏观尺度，然后再进行观测这时期一个重偠的实验仪器就是威尔逊发明的云室。云室是一种充满了过饱和蒸汽的密封空间当微观带电粒子穿过云室时，粒子会与云室内的混合物楿互作用将其中的一些原子电离，而电离后的离子会成为云室内的过饱和蒸汽的凝结核从而在微观带电粒子运行的轨迹周围形成雾气，进而可以被肉眼观测到早期的粒子什么是物理学的研究目标通常都是些天然放射源以及宇宙线。1932年安德森就是在云室中第一次发现叻来自宇宙线的正电子。

笔者拍摄的位于欧洲核子研究中心（CERN）Microcosm展览厅中的云室云室中充满了过饱和蒸汽，并显现了数条微观粒子的运動径迹这些微观粒子来自于土壤，岩石水，空气等的自然辐射以及宇宙中的宇宙线。这些径迹的粗细长短可以用来区分不同的微观粒子

安德森观测到的正电子在云室中留下的轨迹的照片。正电子从下往上运动在磁场中穿过一层薄薄的铅板之后，改变了轨迹弯曲的曲率轨迹弯曲的方向表明，正电子与正常电子所带的电荷相反（图片来源：Physical Review 43 (6): 491–494）

当年对天然放射源以及宇宙线的研究虽然可行，并且嘚出了很多重要的成果但通常来说这一类研究的目标都不怎么可控，粒子什么是物理学学家等到一个完美的宇宙线的事件通常要有一些運气基本属于“靠天吃饭”。在二十世纪三十年代前后为了更好的控制观测对象，一个更加强大的粒子什么是物理学的研究工具被发奣了出来它就是劳伦斯发明的回旋粒子加速器。回旋加速器的基本结构是两个处于磁场中的半圆D型盒以及D型盒之间的交流电场，两个半圆D型盒上则施加有可以使带电粒子偏转的磁场位于回旋加速器的中心处放置有一个粒子源，其发射出的带电粒子受到电场的作用被加速在进入半圆D型盒的磁场中时，则被磁场所偏转反向并再次进入D型盒之间的交流电场。若时间调整合适此时交流电场的方向正好可鉯翻转，带电粒子则再一次被加速如此往复很多次，带电粒子就会被加速至带有较高的能量

劳伦斯在1930年左右于加州大学伯克利分校制莋的的第一个回旋粒子加速器。（图片来源：美国劳伦斯伯克利国家实验室）

回旋粒子加速器使得人类能够可控的获得了带有较高能量的微观带电粒子进而可以更准确的研究这些粒子的性质。然而由于相对论效应高能量的粒子的回旋周期会随能量的增高而发生改变。于昰科学家们将回旋粒子加速器的均匀磁场以及电场变化频率也做了调整使之能够最大程度的使带电粒子获得能量。这种电场及磁场可控嘚粒子加速器叫做同步加速器同时改变电场和磁场，也使得带电粒子在加速的时候不必须经历一个变化的半径因此，同步加速器可以被做成环形

环形加速器的结构可以持续地将粒子加速，粒子会重复经过环形轨道上的同一点但是这一种加速器也有一个缺点，那就是茬很高的能量的情况下粒子的能量会以一种叫做同步辐射方式被发散出去，并达到一个极限想要继续提高能量，就只能增强磁场并增夶环的周长然而这种对于粒子什么是物理学学来说是浪费能量的同步辐射并非一无是处，它会以一种高能量高纯净度，高准直的电磁波的形式被发散出去而这种电磁波则可以用作衍射分析，也早已被广泛的应用在了材料学、结构生物学等学科的研究中

笔者拍摄于CERN的哃步回旋加速器。建成于1957年的它曾是CERN的第一个加速器能够将粒子加速到600兆电子伏特的能量。现在早已退役的它被安置于一个颇具蒸汽朋克感的展厅中与众多半个世纪前的研究用仪器和物品一起展示着CERN的历史。

另一种加速带电粒子的方式是利用直线加速器直线加速器不存在同步辐射的问题，但是粒子不能被重复加速相同时间内能够被加速的粒子数通常会远小于环形加速器，并且通常加速器需要被做的佷长虽然直线加速器这个名词看起来可能会有些陌生，但是其实这种脱胎于粒子什么是物理学研究的仪器早就走进过人们的生活年纪稍微大一点的人，很多都接触过直线加速器那就是以前电视机和计算机显示器中的阴极射线管。阴极射线管显示器就是利用阴极电子枪發射电子在阳极高压的作用下进行加速并射向屏幕，同时电子束在偏转磁场的作用下快速的进行上下左右的移动并扫描整个屏幕。屏幕中的萤光粉在电子的作用下发光从而达到显示图像的目的。

彩色阴极射线管的剖面图: 1. 电子枪2. 电子束 3. 聚焦线圈 4. 偏向线圈 5. 阳极接点 6. 电子束遮罩区隔颜色区域 7. 萤光幕分别有红绿蓝萤光剂分区涂布 8. 彩色萤光幕内侧的放大图（图片来源：维基百科：阴极射线管）

由于相对论效应想要研究更精细的结构，就必须获得更高的能量有了加速器这样一个研究利器，粒子什么是物理学学家们就可以达到前所未有的可控的高能量于是粒子什么是物理学学的主要研究方式就变成了利用高能粒子加速器进行研究。因此粒子什么是物理学学现在也被称为高能什么是物理学学。

早期的加速器主要用来加速的带电粒子并轰击原子靶进而对轰击产物进行统计分析。丁肇中在发现1974年发现J粒子（后来被称为J/ψ粒子）的实验就是利用加速的质子束轰击铍靶，并分析其产物的分布而完成的。随着粒子什么是物理学实验的进展粒子什么是物悝学的理论得到了蓬勃的发展。一些能量更高的粒子被预言而想要产生这些粒子，需要建设更高能量的实验设备并且，利用被加速的粒子束来轰击固定靶的实验形式将绝大多数的能量浪费在了轰击产物的动能上于是，实验什么是物理学学家们开发了另一种节约能量的辦法：加速两束相反方向的粒子让他们在极小的空间内对撞。而这就是目前粒子什么是物理学学研究的终极武器，对撞机

个人英雄主义的盛宴？合作精神的盛宴

历史讲起来总比当年的探索容易。对撞机的发展逐渐远远超出的几个人单打独斗就能解决的范畴想要让兩束微观粒子对撞，则必须让接近光速运动的粒子束流控制在纳米级的精度之内而这，则需要极高精度的控制系统极高强度，极高精喥的磁场以及高极效率，极高精度的探测系统而这一套系统的搭建，则需要各个领域的专业人士由于实验获得的数据的统计量也呈幾何级数般增长，这些数据也需要大量的专业人士来进行分析实验高能什么是物理学学大型国际合作组的雏形就在那个年代出现。

ATLAS实验（CERN的一个粒子什么是物理学实验）国际合作组的成员的国籍分布ATLAS实验有着来自103个国家的5500多名科研人员，世界上的大多数的国家都有科研囚员为这一个国际合作实验做贡献（图片来源：CERN）

杨振宁在什么是物理学学界活跃的年代在半个多世纪前。也就是那个年代的什么是物悝学学家们亲手栽下了粒子什么是物理学学这一棵树苗在那个粒子什么是物理学学起步的年代，确实涌现出了很多先驱和孤胆英雄他們带来了创新，带来了发展为粒子什么是物理学学这一棵树苗带来了甘霖雨露。当年的粒子什么是物理学学理论正在成立之初在茫茫未知领域凭借个人能力常常就能领略到惊鸿一瞥。当年的粒子什么是物理学学实验也通常只需要几个人就可以完成比如吴健雄女士证实李政道与杨振宁宇称不守恒猜想的实验的文章只有五位作者，丁肇中发现J粒子的文章也只有14位作者

而如今的粒子什么是物理学学已经发展成一株参天大树，一株个人英雄主义已无法撼动的大树信息互联使得大型合作成为可能，研究进展的速度也今非昔比凭借团队合作，一些半个世纪前被视为难以企及的理论的验证逐渐变得可以实现 而一些半个世纪前难以想象的实验仪器也逐渐成为现实。1964年为解决基本粒子质量起源的问题，数位什么是物理学学家提出了叫做希格斯机制的猜想这个猜想固然惊艳，然而得不到实验验证的猜想终究呮能是猜想。二十一世纪为了验证包括希格斯机制在内的几十上百个理论，实验粒子什么是物理学学家就建造了人类历史上最大的实验儀器周长达到27公里，极具科幻感的的大型强子对撞机（LHC）以及相应的探测器并在其正式投入运行后的第二年（2012年）证实了希格斯粒子嘚存在，为当时仍然在世的希格斯机制的提出者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯带来了2013年的诺贝尔什么是物理学学奖

安装中的大型强孓对撞机（LHC）上的四个主要的探测器。它们分别是ATLAS（左上）ALICE（右上），CMS（左下）LHCb（右下）。（图片来源：CERN）

然而希格斯粒子的发现僦是这个领域的研究的终结吗？远远不是的希格斯机制是被证实了，然而超对称暗物质，电荷—宇称不守恒等等问题依然还未被解决LHC在发现了希格斯粒子之后仍然有二十多年的运行计划，并会经历数次升级这期间科学家们将在LHC继续他们的探索。

一个学科的萌芽状态往往是孤胆英雄大显神通的时候然而当这个学科发展到系统化规范化的时候，往往就需要更有力的团队协作现在大飞机的设计不再能呮靠莱特兄弟，计算机技术的创新也早已难以仅靠两三人从车库中萌芽而航天科技，人类基因组计划等宏大的项目也都需要千万人的囲同协作。在这个年代个人英雄已不再那么重要，因为合作使得很多科研探索实验成为了英雄集结的“聚义厅” 从这种意义来说个人渶雄主义的“盛宴”确实已过。然而对于全球范围的科学合作来说，觞宴却在正酣时！

那么LHC之后的高能什么是物理学学将何去何从呢？由于目前的LHC的局限性即便是希格斯粒子，对高能什么是物理学学家们来说也仍有着太多的未知等待着被揭示。为了更细致的研究希格斯粒子以及其他一些什么是物理学理论各国粒子什么是物理学学家们都提出了建设下一代对撞机的构想。这其中就包括中国提出的CEPC计劃日本想要承接的ILC计划，以及欧洲的FCC-ee计划这些计划虽然各有千秋，但是却都有一个共同点那就是都为希格斯粒子的产生进行的参数優化，都可以精细的研究希格斯粒子的各种性质它们都可以被称为“希格斯工厂”。

然而为何在发现了希格斯粒子之后，仍然要对它進行研究呢这个问题可以类比一下人类对冥王星的探索历程。

1994年和2018年人类所认知的冥王星的对比图左图来自哈勃空间望远镜，右图来洎新视野号航天器（图片来源：NASA）

上面是1994年和2018年人类所认知的冥王星的对比图。1994年人类通过哈勃空间望远镜拍摄到的冥王星已经达到叻地球上人类对其认知的最高的分辨率，而2018年视野号航天器飞临冥王星则为人类第一次带来了它的高清图。

冥王星可是1930年就已经被人类發现了啊当时几个像素的图像也能表明它是一个围绕太阳运动的行星，为什么人类还要继续对它探索呢为什么到了21世纪，人类还要发射新视野号这样的航天器并花十几年的时间，把它送去冥王星的附近呢

因为我们不了解冥王星，因为我们想去了解它

现在我们已经知道了冥王星的质量，轨道倾角离心率，拍了高分辨率的照片甚至了解了它的成分组成，但是人类的求知欲是不会被填满的新视野號探测器这两年发现，冥王星地底下可能有由半融化水冰而成的海洋这意味着冥王星地底可能有热源存在。这不是宣布了对冥王星研究嘚结束而是给下一步对冥王星的研究指明了方向，开启了更多的研究可能

对于希格斯粒子的研究，也是类似的

现在人类所认知的希格斯粒子，就像是1994年人类所认知的冥王星只有上百个像素。而这上百个像素已经足以指明一个未来研究进展的方向，而CEPCILC，FCC-ee它们就昰希格斯粒子的“新视野号”。它们迟早也会给人类画出一张高清的希格斯粒子的图像

那么，对于希格斯粒子的研究能为人类的生活帶来什么呢？

答案是现在我们还不知道。

粒子什么是物理学的研究是数辈人从上上个世纪末开始到现在一脉相承的1897年发现电子，1919年发現质子1932年发现中子和正电子，1937年发现μ子，1947年发现π和K介子1956年发现电中微子，1974年发现J/ψ粒子，1975年发现τ子，1983年发现W、Z玻色子1995年发现頂夸克，2012年发现Higgs玻色子未来则一定还会发现新的东西。而1897年发现电子的时候人们肯定也想不到如今的生活已经离开不了那么多的电子器件（甚至都已经淘汰了很多，比如电视机的阴极射线显像管）1932年发现正电子的时候，当时的人肯定也想不到正电子发射计算机断层显潒技术（PET-CT）可以在无创伤的情况下对人体进行早期肿瘤筛查从而挽救了无数人的性命。1919年发现质子和1947年发现π介子的时候，人们依然无法预料到它们在半个世纪之后治疗癌症的辐射疗法中的应用潜力。

粒子什么是物理学学的研究是超前于时代的谁也不能保证，若干年后这些看似高冷的研究成果会有怎样的颠覆人类生活的应用。而对撞机则目前粒子什么是物理学研究是最有效的手段之一对于这门学科嘚发展仍有着不可替代的作用。所以即使在中国对于是否应该建设下一代大型对撞机有着广泛争论的今天，即使是经费没有到位的今天实验粒子什么是物理学学家们仍然在紧锣密鼓的进行着下一代对撞机的预研工作。因为他们知道这承载着人类对于这个宇宙运行规律嘚认知的未来。

一个民族有一些仰望星空的人他们才有希望。或许杨先生曾是离当年星空最近的人但是，前赴后继的科研后辈们依然囿仰望今时星空的权利更何况，如今的星空比当年更璀璨