“粒子物理研究將回到依靠實(shí)驗(yàn)指引的范式上，離開‘驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型’的范式。”12月3日，在基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際沙龍上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳說。
上世紀(jì)50年代，大量新粒子被發(fā)現(xiàn)，粒子物理從原子核物理研究中獨(dú)立出來，成為一門新的學(xué)科，主要研究物質(zhì)世界的基本粒子，以及基本粒子間的相互作用。其研究范式是以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為指引。自60年代末“標(biāo)準(zhǔn)模型”被提出以后的半個(gè)多世紀(jì)里，粒子物理研究的主要范式變成了通過實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。
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粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型包含12種基本粒子和4種相互作用力，12種基本粒子就像“磚塊”，4種相互作用力就像“水泥”，“磚塊”與“水泥”共同構(gòu)建出粒子物理的“大廈”。“非常漂亮，也非常簡(jiǎn)單。”王貽芳說。
標(biāo)準(zhǔn)模型的理論研究8次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過發(fā)現(xiàn)所有預(yù)言的基本粒子，9次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。相關(guān)的加速器與探測(cè)器技術(shù)也斬獲3次諾貝爾獎(jiǎng)并得到廣泛應(yīng)用。
但就在標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言逐一被驗(yàn)證后，一個(gè)問題出現(xiàn)了：“粒子物理走到盡頭了嗎？”
在王貽芳看來，標(biāo)準(zhǔn)模型不是粒子物理的“終點(diǎn)”，但粒子物理的確走到了一個(gè)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。
“標(biāo)準(zhǔn)模型上空依然漂浮著烏云。”王貽芳說，他們發(fā)現(xiàn)中微子的質(zhì)量不為0，這與標(biāo)準(zhǔn)模型是矛盾的；w玻色子的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言之間的偏離達(dá)到7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差；此外，還有很多理論和實(shí)驗(yàn)不符合的現(xiàn)象……
目前，在全球粒子物理實(shí)驗(yàn)的圖譜中，位于核心的依然是粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，標(biāo)準(zhǔn)模型的外圍有希格斯粒子性質(zhì)等需要解決的科學(xué)問題，也有超對(duì)稱模型等需要檢驗(yàn)的理論模型。
王貽芳認(rèn)為，下一步，粒子物理需要尋找一個(gè)更新的理論，而這一步將是以實(shí)驗(yàn)為指導(dǎo)的，“未來，我們沒有了理論模型的指引，需要通過實(shí)驗(yàn)來找到未來發(fā)展的路徑和新的理論模型”。
“中國(guó)科學(xué)家在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立過程中沒有太多貢獻(xiàn)，現(xiàn)在粒子物理走到這樣一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)候，我們中國(guó)的科學(xué)家是不是有可能提出一些重大的問題，并提出解決問題的思路？”王貽芳反問。
他介紹，我國(guó)的粒子物理研究從夸克起步，通過北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）奠定了物理、加速器、探測(cè)器等各方面的基礎(chǔ)，在國(guó)際上有了一席之地。從大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)到江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO），我國(guó)的中微子研究走到了國(guó)際最前沿，有望實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）可以讓中國(guó)通過希格斯粒子的研究走到國(guó)際粒子物理舞臺(tái)的中央。
關(guān)于這些實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展，王貽芳透露，BEPCII將于2024年完成升級(jí)改造，并將運(yùn)行至2030年退役，屆時(shí)于1981年建成的BEPC的科學(xué)壽命將達(dá)到50年，總造價(jià)花費(fèi)為8.8億。
JUNO將于2023年建成，建成運(yùn)行后將有能力測(cè)量中微子的質(zhì)量順序，對(duì)中微子混合參數(shù)的測(cè)量將比過去提高約10倍，同時(shí)還將有能力研究超新星中微子、地球中微子等。
CEPC的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率將超過90%以上，已成立的“CEPC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”有70多家高新技術(shù)企業(yè)參與，覆蓋電子、真空、微波、磁鐵、超導(dǎo)、低溫等多個(gè)領(lǐng)域，將推動(dòng)一批企業(yè)占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。
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