探究物质最基本的结构
——从中微子和正负电子对撞谈起

王贻芳，阮曼奇

中国科学院高能物理研究所，北京 100049

探究物质最基本的结构
——从中微子和正负电子对撞谈起

王贻芳†，阮曼奇

中国科学院高能物理研究所，北京 100049

首先对粒子物理的基本目标、实验方法、研究现状以及粒子标准模型进行了简要介绍。解释了为何寻求超出标准模型的物理信号是现阶段物理学研究的核心任务。接着着重介绍了首个在粒子物理实验中被证实的超出标准模型的实验信号、中微子振荡及其实验测量，以及通向新物理原理的探针——希格斯(Higgs)玻色子。最后，介绍了高能物理实验设施，特别是现有的北京正负电子对撞机项目和未来的环形正负电子对撞机项目。对于后者，除了明晰其突出的物理学意义和物理学性能，还阐述了其对科学技术的促进作用。

粒子物理；标准模型；中微子；希格斯玻色子；环形正负电子对撞机；技术促进作用

1 对物质结构的探索

物理学是一门非常古老的学科。几千年前，哲学家们就在思考我们的世界到底是由什么构成的。古希腊人从空间的角度来思考这一问题，继而从空间想到了物质的结构。芝诺(公元前490—公元前425年)认为空间是无限可分的(连续的)；留基伯(约公元前500—公元前440年)则认为空间不是无限可分的，而是由无数“不可分”的微粒组成的。德谟克利特(约公元前460年—370年)认为世界由空虚的空间和物质组成，而后者是由无数不能再分的、看不见的微小原子组成的。亚里士多德(公元前384—公元前322年)进一步提出物质是由“水、气、火、土”四种元素组成，天体是由第五种元素“以太”构成。同一时期，中国也有类似的思想产生。老子(约公元前571—公元前471年)说，“道生一，一生二，二生三，三生万物”。左丘明(约公元前566—公元前451年)认为“以土与金、木、水、火杂以生百物”。庄子(约公元前369—公元前286年)则指出“一尺之锤，日取其半，万世不竭”。“金、木、水、火、土”和“水、气、火、土”看起来颇为相似，而庄子的想法则和芝诺的想法不谋而合。两种文明相隔了上万里，但是几乎同时就同样的问题给出了相似的结论，人类文明发展实在是件很有意思的事情。

图1 道尔顿和他最初使用的符号

真正具有现代科学意义上的原子论是从道尔顿开始的。1803年道尔顿(图1)提出物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的以及不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。100年后的1905年，卢瑟福发现原子由原子核和核外电子组成，随后的实验发现原子核是由中子和质子构成。又过了60年，1964年美国物理学家默里•盖尔曼和G•茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克构成。人类对物质结构认识的不断深入，带动发展出了化学、凝聚态物理、原子物理、原子核物理，直到粒子物理；同时，随着这种认识的深入而开发出各种技术，极大地改变了人类的生活乃至世界的面貌。

2 粒子物理及其研究的基本方法

粒子物理是20世纪50年代才从原子核物理中独立出来的一门新学科，它研究的是物质最基本的结构。时至今日，粒子物理取得了世人瞩目的成就，获得了约1/3的诺贝尔物理学奖。

人们最早用肉眼去观察物质的结构，肉眼看不到，人们就发明了光学显微镜，都是利用光与靶物质“碰撞”。为了看清楚更小的结构，人们发明了电子显微镜(比光学显微镜又高1000倍)，原理是利用电子与靶物质“碰撞”(图2)。

图2 光学显微镜(左图)和电子显微镜(右图)

如果探索更小的结构，我们必须借助粒子加速器，比如通过加速电子到很高能量，利用电子与靶物质“碰撞”来探索更小的结构。为了记录加速器所产生的关键信息，人们发明了粒子探测器或者叫谱仪来代替眼睛。谱仪是一整套的复杂系统，可以探测粒子的动量、能量以及质量，并将整个过程重建出来(图3)。加速器和探测器是粒子物理研究的两大支柱。虽然有些粒子物理实验不需要加速器，比如宇宙线实验(地面、高空、太空)、部分中微子实验等等，但是所有的实验都需要探测器。

图3 环形正负电子对撞机基线探测器(左图)以及其上模拟的物理事例(右图)。该探测器的尺度在10 m量级，其内安装了大量精密探测系统

粒子物理学和宇宙学有非常密切的关系。在大爆炸宇宙学模型中，随着时间的回溯，宇宙的尺度越来越小，而基本粒子的行为就显得越来越重要。事实上，宇宙大爆炸后的整个物理过程和粒子物理有着极其密切的关系，基本粒子的性质决定了宇宙的面貌。同时，宇宙学的观测手段和粒子物理实验手段也有很多类似的地方。

粒子加速器对其他学科的研究也起到了非常重要的作用。比如，利用加速器产生的同步辐射或者中子散射可以探索蛋白质的微观结构、研究新的药物和材料，为生物学、材料科学、凝聚态物理等领域提供了重要的观测手段。

3 粒子物理的标准模型和Higgs粒子

粒子物理的标准模型(图4)告诉我们，物质是由三代轻子和夸克构成，即6种轻子和6种夸克。它还描述了基本粒子之间的相互作用，即强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。在标准模型看来，物质粒子(轻子和夸克)之间通过交换规范玻色子(胶子、光子、W及Z玻色子)进行相互作用，使得整个物质世界构成一个有机的整体。另外，标准模型还构造了一个Higgs场，以赋予标准模型中基本粒子的质量。

图4 粒子物理标准模型理论框架内的基本粒子

粒子物理标准模型以令人惊叹的精确度，准确预言和诠释了几乎所有加速器实验上能观测到的实验现象，是极为成功的理论模型。2012年，在欧洲核子中心的大型强子对撞机上，科学家发现了Higgs粒子，它的性质和标准模型的预言高度吻合。至此，标准模型预言的粒子全部被找到，粒子谱完备了。

Higgs粒子的预言和发现无疑是标准模型的巨大成功，但是标准模型很难被认为是一个终极理论。首先，标准模型中有大量自由参数。其次，其内部有一系列的理论疑难，比如质量等级疑难：标准模型预言所有费米子的质量都是通过同样的机制产生，而费米子的质量差可高达13个量级。这就好比姐妹两人的体重差距悬殊，很难相信她们是同一父母所生。然后，标准模型中还有真空稳定性问题、自然性问题等等。最后，在对撞机实验之外，尚有大量标准模型无法解释的现象，比如宇宙中的暗物质、暗能量、暴胀和中微子震荡等现象。凡此种种，使得人们普遍相信标准模型不是粒子物理的终极理论，而只是一个更加基础理论的低能有效近似。那么，发掘出标准模型背后的物理原理自然成为粒子物理未来发展的核心。

目前，在粒子物理实验中已经明确观测到中微子振荡现象，说明自然界中的中微子是有质量的。这和标准模型的预言是不一致的。换言之，人们已经明确观测到了超出标准模型的新物理。在此，我们对这一有趣发现进行一下回顾。

4 幽灵粒子——中微子

12种构成物质世界的基本粒子中有3种是中微子，因此它在粒子物理学的基础研究中占有重要的地位。中微子存在于我们周围，天上的超新星、银河系、太阳，地上的反应堆、加速器，包括地球本身也产生中微子，甚至我们每个人的身体也无时无刻不在发射中微子，每人每天大约发射3亿4000万个中微子。 日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟•麦克唐纳两位物理学家，获得了2015年诺贝尔物理学奖，是因为他们发现了中微子振荡现象，该发现表明中微子拥有质量。

在基本粒子中我们对于中微子知之甚少，技术发展到今天可以通过实验看到中微子，使得研究它成为可能，而在这之前要想对中微子进行研究还是比较困难的。研究发现中微子只有左旋没有右旋，这种奇怪的现象是造成弱相互作用不守恒的主要原因。至于其产生机制还需要进行更深入的研究，这将是个了不起的工作。宇宙中的中微子和光子一样多，在整个宇宙中弥漫着大约每立方厘米300个中微子！如果中微子具有质量，哪怕仅有一点点也将对宇宙的形成和演化产生重大的作用，这也是科学家对中微子感兴趣的原因之一。中微子是粒子物理、天体物理与宇宙学研究的热点和交叉。在中微子研究中，核心问题是质量，关系到宇宙变成今天这样，早期从大爆炸到现在的过程是怎样演变的。

在中微子的研究中，不得不提到一位意大利物理学家，他是费米的学生Bruno Pontecorvo(1913—1993)，他信仰共产主义并参与了曼哈顿计划。1950年正在伦敦度假的Pontecorvo突然消失，半年后出现在莫斯科，并在前苏联的杜布纳联合核子研究中心一直工作到去世。20世纪50年代末，他提出了一种理论猜想：如果中微子质量不为零且质量本征态和弱相互作用本征态不一致，那么中微子会发生振荡。这种振荡就使电子中微子在运动过程中变成μ中微子，μ中微子也会反过来再变成电子中微子。这实际上是量子力学中态的叠加，使得测量的时候电子中微子和μ中微子的出现几率随空间距离变化。这个振荡几率公式非常简单：

其中sin2(2θ)是振幅，表示电子中微子变为μ中微子的概率；sin2(1.27Δm2L/E)表示振荡频率。振荡频率和质量的平方差相关，如果质量的平方差为零就没有振荡。这就给我们提供了一个测量中微子质量的办法，虽然测不出绝对值，但是可以知道它的质量差，对中微子研究来说已经很重要了。

中微子振荡研究还要追溯到20世纪70年代。当时，美国科学家Raymond Davis同他的合作者用一个盛满了615 t C2Cl4的巨桶作为探测器(Homestake实验)， 花了30年的时间共测到了2000多个中微子事例。这些中微子几乎都是来自太阳的电子中微子。Davis团队发现探测到的中微子数目仅是理论预期的1/3左右。这就是著名的“太阳中微子消失之谜”。

20世纪80年代，开始有了大型中微子探测器。日本科学家小柴昌俊进行了著名的神冈实验(Kamiokande)，使用了3000 t的水探测器，1000只20英寸(1英寸=2.54 cm)的光电倍增管(PMT)，结果发现实际观测到的大气中微子和理论预期不同。随后，美国IMB实验、法国FREJUS实验、意大利NUSEX实验，以及美国SOUDAN实验，分别进行了类似的实验，测出来结果不尽相同(图5)，最终没办法判断理论到底是否正确。小柴认为有必要再进行验证，于是建造了一个5万t的水探测器，这就是超级神冈实验(SuperK)。这次他们成功地观测到了中微子振荡，实验数据和中微子振荡的理论预期非常符合。小柴昌俊和梶田隆章分别获得了2002年和2015年的诺贝尔物理学奖，但是很可惜，超级神冈的负责人户冢洋二在2008年因为癌症去世了，没能获得诺贝尔奖。

图5 大气中微子反常的测量(测量值用μ中微子/电子中微子，为了尽量消掉不确定因素，结果实验数据/模拟数据的双比值来表示， R′=1表示测量值与预期值一样，即μ中微子相对于电子中微子没有减少)

图6 超级神冈探测器内部，工作人员正划着小船检修探测器(墙壁上为光电倍增管)

超级神冈实验中(图6)，只看到中微子和理论预期的差存在，并没有证明少掉的这部分中微子到底去哪里了。1984年美籍华裔物理学家陈华森提出一种实验方案：用1000 t重水来替代水，中微子和重水中的氘发生反应，这种反应不仅对电子中微子敏感，也对其他中微子敏感。不同的中微子可以与氘核及核外电子发生不同的相互作用，这样就可以分别测出不同种类的中微子通量，以寻找和验证消失的中微子。这个设想后来发展成为加拿大的SNO实验，并在2002年发现消失的太阳中微子(即电子中微子)实际上变成了µ和τ中微子。所有的中微子通量全部加起来以后，与标准太阳模型的预言一致。这个巧妙的方案证明了太阳中微子振荡(图7)。实验的发起人陈华森1987年因白血病去世，也未能获得诺贝尔奖。继任实验负责人Art McDonald于2015年获得诺贝尔物理学奖。

图7 电子中微子(左图)和μ中微子(右图)(黑点)与无振荡预期值(蓝框)、有振荡预期值(红线)随天顶角变化关系的比较(数据表明电子中微子没有变化，μ中微子丢失了，其随距离的关系符合中微子振荡预言)

5 大亚湾中微子和江门中微子实验

根据对撞机实验结果，可以确定只存在三种中微子。它们之间两两相互转换，应该存在3种振荡模式，分别用θ12、θ13、θ23来描述。2002年测出了太阳中微子振荡参数θ12和大气中微子振荡参数θ23，还有一种模式没有测到，就是大亚湾实验要寻找的θ13振荡。 2012年3月8日，大亚湾反应堆中微子实验国际合作组在北京宣布，发现了中微子的第三种振荡模式θ13(图8)。

大亚湾中微子实验位于深圳市区以东约50 km的大亚湾核电站群附近的山洞内，地理位置优越，紧邻世界上最大的核反应堆群之一的大亚湾核电站与岭澳核电站，并且紧邻高山，有天然的宇宙线屏蔽。2003年我们提出了实验和探测器设计的总体方案(图9)，2006年获得批准立项，2007年10月破土动工。整个实验计划建设总长3 km的隧道和3个地下实验大厅，其中2个近厅各放置2个中微子探测器，远厅放置4个探测器，共8个全同的中微子探测器。每个探测器高5 m，直径5 m，重110 t，均置于10 m深的水池中。大亚湾实验采用了一系列创新性的设计思想，设计指标和精度国际最高，设计方案和研制工艺先进，在探测器模块化、可移动、采用反射板、掺钆液体闪烁体等多项设计与技术方面具有独创性，达到和超过了世界先进水平。

图8 3个实验厅内的6个中微子探测器测量到的中微子数与预期中微子数的比值。横坐标是中微子的飞行距离；纵坐标为1的虚线表示没有振荡。红线为中微子的振荡曲线的最佳拟合值。在近点实验厅EH1和EH2，振荡很小(这里的振荡主要来自较远的反应堆，比如从岭澳反应堆到大亚湾近点EH1的两个探测器距离超过1 km，已经有了一些振荡效应)，在远点实验厅的3个探测器可以看到明显的振荡效应

大亚湾中微子实验发现了中微子的第3种振荡模式，使中国的中微子研究走到了世界前列，打开了理解反物质消失之谜的大门。中微子实验下一个要解决的问题是中微子质量顺序，这就是江门中微子实验的目标。质量顺序是中微子的内禀属性之一，是所有粒子物理模型都必须面对的问题。它直接影响中微子及反中微子与物质的相互作用，并因此在宇宙演化、太阳及超新星中微子的产生与传播、各种长基线中微子振荡等方面有重要影响。江门中微子实验还可以精确测量中微子6个振荡参数中的3个，并达到好于1%的水平，使检验中微子混合矩阵的幺正性、发现新物理成为可能。它也可以研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、惰性中微子等，不仅能对理解微观的粒子物理规律作出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理作出重大贡献。

图9 大亚湾核电站示意。D1、D2、L1～L4是大亚湾核电站的6个反应堆。AD1～AD6是大亚湾中微子实验的6个中微子探测器，分置在3个地下实验大厅内，实验大厅用EH1～EH3标记，由水平隧道连接。EH1内的2个探测器监测大亚湾核电站2个反应堆(D1、D2)的中微子流强，EH2内的1个探测器监测来自岭澳和岭澳二期4个反应堆的中微子流强。EH3位于振荡极大值附近，放置3个探测器来测量振荡大小

江门中微子实验(图10)的最大难关是技术，它将拥有国内最大的地下洞室(48 m×70 m，大约是20层楼高)，直径达35.4 m的国际上最大的有机玻璃球(萨德伯里中微子观测站的有机玻璃球直径为13 m)，世界上最大、透明度最好的2万吨的液体闪烁探测器，以及2万个20英寸光电倍增管，探测效率需要大大超过超级神冈(15%)，达到世界最高的30%。

江门中微子实验由世界上17个国家和地区的71个研究单位、550位科学家和工程师参加，预计2020年完成建设， 3～5年之内能出成果。

6 上帝粒子及其精确测量——大型强子对撞机(LHC)和环形正负电子对撞机(CEPC)项目

Higgs场在标准模型中处于核心地位。质量是物质的基本属性；而作为质量之源，Higgs场决定了粒子质量，进而在很大程度上决定了宇宙的面貌。有大量理论猜测Higgs场同暗物质、暴胀等行为相关。简言之，Higgs场同标准模型中几乎所有的理论疑难直接相关；同时，它对宇宙的面貌乃至宇宙的宿命有着决定性的影响。因此，Higgs粒子是人类通向标准模型背后的、更加深刻的物理学原理的必由之路。在Higgs粒子被发现后，对其性质的精确测量立刻被提上日程。

图10 江门中微子实验探测器的效果图

对粒子性质的精确测量需要大统计量的样本，一般被称为粒子工厂。历史上，我们曾经有过Z粒子工厂(位于欧洲核子中心LEP、也是LHC实验的前身，见图11)，B介子工厂(位于日本筑波市的SuperKEKB)，等等。为了实现Higgs粒子的精确测量，需要一个Higgs粒子工厂。

欧洲大型强子对撞机(large hadron collider,LHC)本身是强有力的Higgs粒子工厂。时至今日，在LHC上已产生了数以千万计的Higgs粒子。LHC不仅确认了Higgs粒子的存在，还对它的物理性质进行了测量和限制。数据分析表明，在LHC上发现的Higgs粒子的性质和标准模型预言高度吻合。另外，LHC实验上有巨大的物理本底，平均每100亿次的质子对撞事例中才能产生一个Higgs粒子，这使得在LHC上对Higgs粒子进行精确测量非常困难，换言之，LHC上对Higgs粒子性质测量的精度受到很大限制。现有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性质测量的极限精度大约在10%量级。

正负电子对撞机是高精度Higgs粒子工厂的有力选型。和强子不同，正负电子不参与强相互作用，因此正负电子对撞环境下物理本底要低得多。在合适的质心能量下，平均每1000个正负电子对撞事例中就能产生一个Higgs粒子。几乎所有的Higgs粒子事例都可以被记录分析，同时正负电子对撞机上事例的初态信息精确可知，为Higgs粒子性质的全面精确测量创造了极为有利的条件。

图11 LEP(左)及LHC(右)

环形正负电子对撞机(CEPC)是中国高能物理学界倡议建设的Higgs粒子工厂(图12)。在周长约100 km的环形坑道内，计划安装一台质心能量在240 GeV的正负电子对撞机——CEPC。我们预计在10年内，通过两个探测器可以采集到100万Higgs粒子事例。和LHC不同，这些事例几乎可以百分之百地被记录下来，进行非常精确的测量并研究Higgs粒子的性质(质量、自旋、宇称、耦合等)，寻找新物理的迹象。细致的模拟分析表明，CEPC可将Higgs粒子的性质测量到1%，甚至到0.1%水平的相对精确度。换言之，CEPC上Higgs粒子测量的精度比LHC高1～2个量级。

通过调整质心能量，CEPC上每年可以产生1010个Z粒子，精确研究弱电理论并检验标准模型，寻找偏离标准模型的迹象，如稀有衰变等。更近一步，通过质子质子对撞SPPC(～100 TeV)可以直接寻找超出标准模型的新物理、新现象和新粒子，对标准模型进行精确测量。精确测量和寻找新物理的互补，这样就能保证这个装置一定会有很好的科学成果。

CEPC也是高能同步辐射光源，从二级铁引出的高能同步辐射光，能量可达628 keV，超过目前所有正在运行和在建的同步辐射光源。使用扭摆磁铁或波荡器后，光子能量可以超过20 MeV。MeV级同步辐射光源可以广泛用于核物理、国防、材料结构与缺陷、微加工、极端条件、高压、辐照改性、育种等众多领域。

图12 CEPC-SPPC项目概念图

7 从BEPC到CEPC：中国的大型加速器

目前，中国尚在运行的粒子物理对撞机是北京正负电子对撞机(BEPC)。BEPC于1984年开工，1988年实现对撞，在当时是该能区世界上亮度最高的加速器。BEPC是中国在国际高能物理研究领域占领一席之地的关键。

2004年，BEPC进行了重大改造工程，2009年完成。BEPCII采用了新型双环对撞机的创新设计(图13)，在极短的隧道内兼顾同步辐射，亮度达到世界最高。改造后的北京谱仪(BESIII)在2013年发现了一种新粒子Zc(3900)，该粒子由4夸克构成，与目前发现的由2夸克构成的介子或者由3夸克构成的重子(如中子和质子)都不一样。这项成果(图14)，被美国物理学会《物理》杂志评为2013年国际物理学11项重要成果之首。

图13 北京正负电子对轧辊及其采用的双环结构，该结构使得对撞机的亮度提高了100倍

图14 介子(左)、重子(中)和奇特强子(右)

BEPCII将会一直运行到2025年，我们必须考虑在此之后中国高能物理的发展方向和规划。高能加速器从计划设计到建设完成投入使用，少则20年，多则三四十年都有可能。比如LHC第一次提出计划是1980年，2008年9月正式运行，预计运行到2035年，前后要经历55年。因此，项目规划必须要有先瞻性。2012年Higgs粒子的发现，为我们提供了一个未来发展的机会，即建设一个环形正负电子对撞机来仔细研究Higgs粒子。CEPC建成以后就有了隧道，为质子质子对撞、电子质子对撞或重粒子对撞提供了可能。也就是说CEPC将有极长的科学寿命，可以兼顾未来几十年科学研究的需要。CEPC项目被中国高能物理学界公认为是中国粒子物理发展的首选项目。

BEPC不仅为中国高能物理研究取得了一系列世界顶级的物理成果，也培养、训练了一支高水平的技术人才队伍。这为CEPC项目的相关研究提供了宝贵的人才储备。

8 粒子物理研究推动高技术的发展

为了达到更高的对撞能量，更亮的积分亮度，处理更多的实验数据，粒子物理研究一直就是新思想、新技术的源头，同时也是人类协作的巅峰。回顾Higgs粒子的发现，有赖于全球上万名科学家与工程师30多年的努力，具有极为丰富的科学、工程、管理、国际合作、文化等内涵。值得一提的是，在此过程中发明了World-Wide-Web和网页浏览器。因为有大量的科学家在做这个工作，那么相互之间信息和数据的及时传递就成了一个大问题。为此欧洲核子中心的计算机专家Tim Berners-Lee发明了www网页技术。他坚持不申请专利，使得这项技术很快扩展到全世界，最终成就了今天的互联网，产生的经济效益无论怎么估计都不过分。

粒子加速器本身是一种应用广泛的观测手段。目前，全世界大约有几十台基于加速器的同步辐射装置，4台散裂中子源。中国有3台同步辐射装置和1台散裂中子源。这些装置依赖于粒子加速器技术，在凝聚态物理、化学、材料、生物、地质、环境等各领域都发挥了关键作用。

粒子物理的研究方法在生活中也获得广泛的应用，全世界大概有35000台加速器正在运行，除了同步辐射和散裂中子源这种大型设备以外，大约一半以上的加速器在医院使用(如配合PET检查等)。另外，辐照加速器在生活中的应用更是广泛，例如：食品灭菌、杀虫、保鲜等；医疗材料的消毒；机场、海关等场所的安全检查等。探测器在医疗检测、石油测井、空间科学等领域也有非常多的应用。粒子物理过去70年的研究对日常生活起了很多积极的作用，推动了技术的发展。

事实上，基础研究和先进技术一直是相辅相成的。在2017年11月举行的国际环形高能正负电子对撞机会议上，来自全国各地的40多家高技术企业组成了CEPC产业促进会(图15)。中国工业界积极参加CEPC相关研究，同时也期待着CEPC研究能够催生更多的新技术，比如大型超高真空，大型精密机械，高精度磁铁/超导磁铁，自动控制，抗辐照半导体芯片，辐射探测方法、材料、技术，超导高频加速腔，微波功率源，液氦低温系统，大型制冷机及低温管道，大数据，计算机与网络等。

图15 2017年11月CEPC产业促进会成立

9 粒子物理的未来

在标准模型的粒子谱“完备”以后，粒子物理学该向何处去？这是物理学家们都在思考的问题。

首先，标准模型粒子谱的完备并不意味着人们对标准模型已经完全理解。人们对标准模型的理解仍处于“知其然不知其所以然”的状态。达到“所以然”则意味着人类认识的巨大飞跃，也是粒子物理未来研究，乃至整个物理学研究的战略核心。具体来说，未来的发展有两个方向：一个方向是寻找更深层次的粒子，同过去传统的想法一样，顺着原子—原子核—夸克一路寻找下去，看看是否还存在比夸克更深一级的结构。通过理论猜想构建复合模型，预言这级结构的性质，再想办法通过实验去验证修正。另一个方向是相互作用的更大统一。就像麦克斯韦方程将电和磁统一起来，弱电统一理论将弱相互作用和电磁相互作用通过一个方程式写出来。目前还没有一个方程能把弱电统一理论与强相互作用统一起来，更无法包含引力理论，即爱因斯坦的相对论。理论上，超弦理论可以非常漂亮地把4种相互作用统一起来，但不知道写出来的方程是否反应了自然界的实际情况。就像当年的Higgs粒子一样，当时没人知道对不对，直到通过实验找到它。因此未来不管选择哪个方向，都需要实验来验证。物理学是一门实验科学，最终要靠实验数据验证。

目前世界上有多个粒子物理学实验，其侧重点各有不同。这些实验分为加速器实验和非加速器实验两大类。非加速器实验方面：丁肇中教授领导的AMS实验，研究反物质和暗物质问题；中微子研究方面中国有大亚湾、江门中微子实验等；暗物质研究中国有锦屏地下实验室、空间DAMPE和HERD两个实验；等等。加速器实验方面：LHC实验正在最高的质心能量下积极寻找新物理现象；北京正负电子对撞机、日本的超级B介子工厂(Super KEKB)在强子物理领域扫描，寻找稀有衰变和新的强相互作用粒子；等等。

为了突破现有实验的极限，解决标准模型中存在的根本性问题，特别是全面理解Higgs粒子，人们提出了大量未来实验项目，并进行了深入研究。这些项目包括直线对撞机(ILC)、紧致对撞机(CLIC)、未来环形对撞机(FCC)、光子对撞机、μ子对撞机、等离子体尾场加速器等等。中国的环形正负电子对撞机(CEPC)和超级强子对撞机(SPPC)也在其中。在综合考虑物理潜力、物理性能、技术成熟度、造价等因素后，国际高能物理学界公认CEPC-SPPC项目在所有上述预研项目中有明显优势。

利用现有以及未来实验上采集到的数据，有望理解粒子物理标准模型中存在的一系列根本性问题，从而大大加深对物质结构、基础物理规律的理解，乃至最终实现对标准模型的突破和认识飞跃。这些问题包括Higgs粒子的性质、CP破缺的大小、新物理模型的搜寻和验证(复合模型，额外维、超对称等等)、中微子的性质、强子物理稀有衰变和精确测量等等。同时，粒子物理实验要和宇宙学联系起来，深入理解反物质、暗物质、暗能量、暴胀，以及早期宇宙演化和宇宙大尺度结构问题。对这一切关键问题的研究，不仅是物理学研究的未来，也是人类突破标准模型的关键，期间蕴含着无限可能。CEPC-SPPC项目，有望在人类这一壮丽的探索中发挥旗舰作用。

(2017年9月24日收稿)

Exploring the basic structure of material：Introduction to neutrinos and CEPC

WANG Yifang, RUAN Manqi
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

We made a brief introduction to the particle physics, including its scientific objective, experimental methodology, current status and explicitly the Standard Model. We explained why the searching for Beyond Standard Model signal is of key importance for nowadays’ physics research. The first experimental evidence of the Beyond Standard Model signal, the neutrino oscillation, is discussed in details. Meanwhile, we discussed intensively the Higgs boson, which serves as an extremely sensitive probe to the new physics signal. The particle physics experimental facilities are briefly summarized in this manuscript, especially the Beijing Electron Positron Collider and the proposed Circular Electron Positron Collider. For the latter, we demonstrated its physics reach, physics potential, and described its synergy with industrial technology innovation.

particle physics, standard model, neutrino, Higgs boson, circular electron positron collider (CEPC), technology innovation

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.001

†通信作者，中国科学院院士，研究方向：粒子物理实验。E-mail: yfwang@ihep.ac.cn

(编辑：温文)