王貽芳，實驗高能物理學家，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士，發(fā)展中國家科學院院士。 現(xiàn) 任中國科學院高能物理研究所所長，中國科學院大學核科學與技術學院院長。 研究方向為高能物理實驗。
千百年來，人類對物質結構的思考與探索一直引領著文明和科學的發(fā)展。
近代以來，人們逐漸認識到物質結構的層次有分子、原子、原子核、核子、夸克等，并在各層次分別發(fā)展出化學、原子物理、凝聚態(tài)物理、原子核物理、粒子物理等分支學科，構成了現(xiàn)代科學的龐大體系。
其中粒子物理（有時也稱為高能物理）自20世紀50年代開始從原子核物理中獨立出來，成為一門蓬勃發(fā)展、成績輝煌的前沿學科，相關成果目前獲得約1/3的諾貝爾物理學獎，引領著物質結構探索和研究的最前沿。
粒子物理的研究目標及方法、特點
粒子物理研究的目標是物質的最小組分及其相互作用規(guī)律。
自20世紀50-60年代開始，科學家們發(fā)現(xiàn)了大量新的實驗現(xiàn)象，據(jù)此在20世紀60-70年代建立了一個基本的理論框架，以理解和解釋實驗數(shù)據(jù)，這就是粒子物理的標準模型，其主要預言在20世紀70-90年代得到驗證。
在隨后的三十多年，粒子物理標準模型的正確性得到確認，缺失的粒子及相關理論預言被逐個發(fā)現(xiàn)與驗證，精度達到前所未有的千分之一左右。
標準模型成為人類歷史上最成功、最漂亮的科學理論之一。
然而，正是在這30年里，人們從實驗數(shù)據(jù)中認識到標準模型并不完備，標準模型只是一個在低能下（~1000倍質子質量以內）有效的近似理論，應該還存在一個更高能量、更深層次的物理世界。
例如，中微子質量的存在就是對標準模型現(xiàn)有理論的一個破壞；夸克和輕子之間的味對稱預示著還有一個更深層次的結構；真空在標準模型中不穩(wěn)定；暗物質粒子在標準模型中不存在；雖然希格斯粒子賦予所有粒子質量，但其自身質量來源未知，且其質量非同尋常得?。桓鞣N對稱性破缺的來源未知，幅度大小也不能解釋宇宙中“反物質消失”之謎，等。
人們試圖建立一個更宏大的理論，統(tǒng)一描述各種相互作用，就像麥克斯韋統(tǒng)一描述了電和磁相互作用、標準模型統(tǒng)一描述了電磁和弱相互作用一樣。
如超對稱理論試圖包括弱電和強相互作用，超弦理論試圖再將引力相互作用也包括進來。
還有學者建立了復合模型描述夸克和輕子的結構，就像夸克模型描述核子結構一樣。
由于缺乏實驗數(shù)據(jù)的明確指引和驗證，目前這些理論模型要么失敗了，要么還無法得到確認。
顯然，我們需要像20世紀50-60年代一樣，去尋找新的實驗現(xiàn)象，指引下一步理論上的努力。
科學家們認識到，實驗上解決這些問題首先需要理解希格斯粒子及其質量；其次需要尋找超對稱粒子及其效應，研究中微子性質及其與標準模型的關系；再次，需要找到暗物質粒子。
自然，跟其他學科一樣，還有許多相對次要的問題需要解決，如精確測量標準模型的所有參數(shù)，通過各種方式直接或間接地檢驗標準模型；精確檢驗量子色動力學并發(fā)現(xiàn)其預言的各種粒子，完整理解強子譜，定量理解并計算核子結構及其質量；等。
這些研究需要依賴科學家們自行設計研制的大型設備，主要分探測器和加速器兩大類。
其中探測器就像人的眼睛，幫助觀察和測量物理過程。
加速器就像顯微鏡，用基本粒子如電子和質子代替光學顯微鏡中的光子或電子顯微鏡中的電子，來探究和觀察樣本（粒子）的內部結構。
對撞機是效率最高、能力最強的一種加速器，能將全部能量用來“擊碎粒子的外殼”，讓我們看到內部結構。
自20世紀60年代發(fā)明以來，對撞機貢獻了高能物理實驗的主要成果，目前及未來仍然是主要的研究手段。
早年，各國科學家都自行研制自己的加速器，美蘇歐日等都各有多臺性能、目標不同的大型高能物理加速器，其水平和能力基本代表了各國在國際高能物理領域甚至整個科學界的競爭地位。
隨著科學目標的不斷集中，加速器的能量和造價不斷提高，基本上一個國家只能有一臺高能加速器，甚至需要幾個國家聯(lián)合起來建造。
這一方面可以集中經費，減少重復投資，提高設備的性能和效益；另一方面也凸顯規(guī)劃的重要性。
如果選擇錯誤或者研制失敗，整個領域都會受到重創(chuàng)。這種慘痛教訓過去有過，尤其以美國為甚。
高能物理的這種集中全領域多年的經費建造一臺大家共用設備（加速器）的方式，一方面引領了科學研究更加依賴大型設備的發(fā)展趨勢，提高了設備和經費的使用效益，另一方面也使它成為眾矢之的，經常被誤認為會擠占其他領域經費。
事實上，無論是考慮多年總和還是年人均投資強度，高能物理的經費均未超過其他類似的二級學科，且其對人類社會發(fā)展的貢獻以科學成就、公共實驗平臺（同步輻射、自由電子激光、散裂中子源等）和互聯(lián)網經濟為代表，遠超迄今為止對它的全部投入。
粒子物理研究一方面是科學的最前沿，另一方面也是技術的最前沿，其國際地位和能力在一定程度上代表著國家的科技發(fā)展水平。
有能力提出粒子物理領域的科學問題并提出解決思路與方案，自行設計并研制相關大型設備，開拓新的技術路線，是成為粒子物理領域國際領先國家的標志，也是中國的粒子物理學界過去70年的努力目標。
中國粒子物理的基礎、成就與差距
新中國的粒子物理研究基本與國際同時起步，20世紀50年代參加了蘇聯(lián)的杜布納聯(lián)合核子研究所，與歐洲核子中心形成一定程度的競爭。
20世紀60年代初因為政治原因退出后，中國政府曾允諾將原來每年3000萬的會員費拿出來建一臺自己的高能加速器。
這之后經歷了政治動蕩、方案搖擺、經濟和技術困難、領域發(fā)展情況變化、反對意見紛爭等各種波折之后，直到20世紀80年代初，才由鄧小平同志在意見紛呈中拍板定下了總投資2.4億人民幣的北京正負電子對撞機、北京譜儀及北京同步輻射裝置（BEPC）。
中國首臺高能加速器裝置在2~5 GeV（約2~5倍質子質量）的能量范圍內超過美國SLAC國家加速器實驗室的SPEAR加速器（其20世紀70年代的成果曾獲得2個諾貝爾獎）關鍵技術指標一個量級，迫使其停止運行，科學家們轉到中國參加北京譜儀實驗。
2009年，BEPC完成了一次重大設備改造，總投資6.4億，技術指標繼續(xù)保持國際領先。
這臺先后共投資8.8億人民幣的設備還將運行10年，科學壽命達40多年。
迄今為止獲得5項國家自然科學二等獎，在國際頂級刊物發(fā)表300多篇文章，成為國際高能物理和加速器技術的重要基地。
BEPC培育拉動了近百家國內廠商的技術水平，設備國產化率達80%以上，中國科學院高能物理研究所的這支隊伍也是建設上海光源、中國散裂中子源、北京高能同步輻射光源、大亞灣和江門中微子實驗（JUNO）等國內大科學旗艦裝置的骨干力量。
這段歷史和成績在很大程度上展示了中國高能物理發(fā)展的艱辛和高能物理投資的特點與效益。
事實上，國內其他領域設備投資上億的有不少，設備能有幾十年壽命的大概不多，而BEPC基本上是2010年前整個中國對高能物理的主要投資。
自20世紀50年代開始，中國科學家利用國內優(yōu)勢，開辟了另一條低成本的研究路線：高海拔宇宙線研究。
從云南、西藏到四川，研究宇宙線的能譜、成分、起源和加速機制，研究伽馬射線天文，尋找暗物質粒子，逐漸形成了自己的方向與特色。
20世紀90年代，在西藏羊八井，中日合作建設了ASγ實驗，中意合作建設了ARGO實驗，取得許多重要成果。
21世紀以來，中國科學院高能物理研究所的科學家提出了一個具有獨特思路的方案——大型高海拔大氣簇射觀測站（LHAASO）。
經過10年左右的設計、預研和5年的建設，世界領先的LHAASO實驗即將在四川稻城完成，成為該領域的旗艦裝置。
由于其超高的靈敏度和優(yōu)秀的建造質量，部分探測器運行半年之后，就在伽馬天文方面獲得重要成果，表明其巨大的科學發(fā)現(xiàn)潛力。
未來，中國在宇宙線和伽馬天文領域的國際領先指日可待。
新世紀開始，中國的粒子物理研究在過去的基礎與積累上開始加速，新的研究方向開始出現(xiàn)。
大亞灣中微子實驗利用大亞灣核反應堆功率高、附近有山的獨特優(yōu)勢，以創(chuàng)新性的獨特方案、世界最高的精度尋找中微子振蕩（θ13），吸引了上百位國際合作者參加。
在各方面的努力和支持下，經過8年的方案準備、技術預研和探測器研制，2011年底正式運行取數(shù)。
3個月后，就發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，精確測得其振幅sin22θ13，獲得大量國際贊譽和獎項。
大亞灣實驗成為中國高能物理成績和進步的標志之一。
在此基礎上，中國科學院高能物理研究所的科學家們延續(xù)反應堆中微子的研究路線，依據(jù)在大亞灣實驗基礎上發(fā)展出來的液體閃爍體技術，提出了江門中微子實驗，目標是研究中微子其他的未知性質，也通過太陽、地球、超新星中微子研究天體物理。
江門中微子實驗吸引了300多位國際合作者參加，2008年提出方案，2015年開始建設，計劃2022年建成，設計科學壽命30年。
這是國際上基于大亞灣實驗成果啟動的3個大型中微子實驗之一，是我們在最重大的核心科學問題上，再一次開展的激烈國際競爭。
大亞灣實驗的成功，給了我們信心和經驗，相信江門中微子實驗也不會令人失望。
暗物質粒子尋找是目前國際粒子物理研究的熱點之一，全世界有幾十個實驗在設計策劃、運行中，或已經完成。
中國科學家在四川設計建造了世界最深的錦屏地下實驗室，具有建造最靈敏的暗物質實驗的潛力。上海交通大學的PandaX和清華大學的CEDX實驗均完成了其首期實驗，具有很大的國際影響。
這些國內項目也吸引了國際參與并滿足了以下條件：一是科學意義足夠重大；二是有自己的創(chuàng)新方案并掌握相關技術；三是有足夠的經費支持和相關隊伍。
為減輕經費壓力，分散科學和技術風險，增加研究人員的受益面和研究方向與課題的覆蓋面，確保不缺席任何重大突破與成果，以相對較少的經費參與國外項目，爭取在其中起重要甚至主導作用是世界各國的通常做法。
因此，國際合作在高能物理研究中一直居于核心地位。
自20世紀70年代末，中國科學家就開始積極參與國際上的各種實驗。
早期主要是派人學習，并盡可能地參與探測器的批量制造和物理數(shù)據(jù)分析，如1970-1980年德國DESY的Mark-J實驗，1980-1990年歐洲核子中心的L3、ALEPH實驗，1990-2000年日本和美國的B-工廠實驗，1990-2020年歐洲核子中心的AMS、ATLAS、CMS、LHCb實驗等。
雖然我們努力參與這些實驗，也對重要實驗的物理成果有貢獻，但與國際上主要國家的國際參與度相比，我們參與的實驗較少，投資份額較低，地位不夠重要，與大國地位不太相符，影響了中國形象，也影響了吸引國際合作者參與我們國內實驗的成效。
總之，中國的高能物理研究從20世紀80年代起步，經過40多年的努力，完成了北京正負電子對撞機、大亞灣中微子振蕩、錦屏暗物質尋找、羊八井宇宙線觀測等一系列國際著名實驗，LHAASO和江門中微子實驗建成后將使中國在宇宙線和中微子研究方面領先國際，實現(xiàn)了鄧小平同志要求的“在世界高科技領域占有一席之地”的目標。
但是也應該看到，中國現(xiàn)在也只是“一席之地”而已，中國的粒子物理研究整體還處于跟跑或并跑階段，特別是高能物理的核心研究方向——高能量前沿與國際領先水平差距較大。
由于歷史原因，我們對標準模型的建立沒有實質性貢獻，幾十項諾貝爾獎與中國無緣。
在加速器和探測器等核心技術方面少有實質性的原創(chuàng)貢獻，技術輸出很少。
中國的科學家在國際上還沒有獲得重大影響力，尚未通過競爭獲得國際大型實驗與項目的主要領導位置，有影響的學界領袖太少，各種大小國際獎項獲得較少。
面對未來，如何采取更大膽有效的步驟，制定十四五和2035年遠景規(guī)劃，努力在整體上趕超國際先進水平，是我們面臨的核心問題。
本文節(jié)選自《科技導報》2021年第3期，原文標題為《探究物質最深層次的物理規(guī)律：中國粒子物理發(fā)展規(guī)劃的思考》，歡迎訂閱查看。
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