王貽芳院士：中國的粒子物理應該從“一席之地”發展到“全面領先”

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，發展中國家科學院院士。 現 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。 研究方向爲高能物理實驗。

4月7日，學界期待已久的“μ介子反常磁矩實驗”首個結果公佈：基本粒子μ介子的行爲和標準模型理論預言不相符。

這樣的發現可能預示着有50年曆史的粒子物理標準模型的預言失敗，同時也爲μ介子物理領域新物理的發現提供了強有力的證據。

粒子物理研究是科學的最前沿，也是技術的最前沿，研究意義重大，成果影響深遠，然而中國的粒子物理研究整體還處於跟跑或並跑階段。

面向未來，我國如何採取更大膽有效的步驟，制定十四五和2035年遠景規劃？對此，王貽芳院士在《科技導報》第3期發表了以下看法。

制定未來規劃，首先面臨的一個核心問題就是定位。

依據國家對基礎研究和科技發展的需求和要求，中國粒子物理研究的基礎、隊伍、成績以及國際發展態勢，結合十四五規劃和2035遠景規劃、我國經濟發展規模及對基礎科學的投入比例，並與世界發達國家的投入比例和規模相比較，我們認爲中國的粒子物理應該從“一席之地”發展到“全面領先”，成爲國際粒子物理的領跑國家。

否則就對不起國家的投入，也辜負了這個時代和全民的期望，影響中國的國際地位和軟實力。

爲實現這個定位，首先，要有具體的目標、正確的思路，系統協調的規劃，創新的實驗方案，掌握並繼續發展相關核心關鍵技術，組織並培養隊伍。

其次，要爭取政府部門、科學界和公衆的支持，讓他們理解並接受高能物理集中投資的特殊模式，推動項目實施。

最後，要爭取國際同行的支持，制定全球協調的規劃，通過互相支持與合作，開展合理競爭，謀求共同發展。

事實上，日美歐等國家和地區每5~10年都會組織全球科學家，而不僅僅是自己的國家和地區（中國科學家也參加了美歐的規劃顧問委員會），討論制定粒子物理髮展規劃，以統一科學家與政府部門的意見，大家協調一致，全球共同發展。

這些規劃討論都是在政府部門指導下，在合理的經費邊界內，優化各種項目和方案組合，以實現最大的投資效益，獲得最佳科學和技術產出。

中國科學家也多次組織過粒子物理髮展規劃研討，雖然沒有形成規範、有約束力的規劃文本交給政府部門，但也形成了幾次發展路線圖，取得一定的共識。

基於上述定位和前期的討論意見，面對新的形勢和未來發展願景，筆者提出對未來發展目標和具體規劃的思考和建議。

發展目標

在高能量方面有重大發展，趕上並超過國際水平。

在高精度方面有選擇地維持部分方向國際領先。

在中微子振盪方面維持國際領先，開展利用中微子的天體物理研究，以最高靈敏度尋找無中微子雙貝塔（beta）衰變。

在宇宙線研究方面儘快取得重大成果，實現全面領先；積極探索各種暗物質尋找、高能中微子探測等新的實驗方案或有選擇地參與國際實驗。

理論要引領與支持實驗發展，全面掌握關鍵技術並開闢新方向，積極推動技術轉移轉化，持續建設和支撐國際領先的多學科通用射線平臺。

具體規劃方案

基於以上目標，應該在各重大方向全面佈局，同時合理分配資源，在積極發起國內項目的同時，積極參加國外項目，確保不缺席任何重大突破與成果，全面實現國際領跑。具體規劃和方案如下。

1

高能量

1）爭取在2035年之前完成建設國際領先的環形正負電子對撞機（CEPC）作爲希格斯工廠，成爲國際高能研究中心。

這是粒子物理研究的核心與熱點，是標準模型建立過程中最重要的成果產生地，也是突破標準模型的最重要窗口。

要積極開展CEPC的設計與預研，開展物理研究準備和人才隊伍培養與準備，爭取在十四五末期開工建設。

2）積極參與日本國際直線對撞機（ILC）的準備，與歐洲核子中心合作開展未來環形對撞機（FCC-ee）的設計與預研。

雖然它們與CEPC形成競爭，但在結果明朗之前，要維持各種可能性。良好的合作也是技術交流、爭取各國科學家參加CEPC的基礎。

3）積極參與歐洲核子中心大型強子對撞機上的物理研究及加速器和探測器的升級改造。

這是10年內唯一可以進行希格斯粒子研究的地方，也是培養高能量前沿物理研究人才和相關技術人才的唯一場所。

應加強投入，拓展研究方向，提高顯示度，掌握相關技術，並積極吸引國外同事參加CEPC。

4）探索未來加速器的各種可能性並開展相關技術研究，包括但不限於等離子體加速正負電子直線對撞機及相關技術研發與驗證，用於未來質子對撞機的鐵基高溫超導磁鐵、繆子對撞機的原理研究等。

2

高精度

1）繼續運行北京正負電子對撞機（BEPCII）和北京譜儀（BESIII）至2030年左右，爭取在十四五結束前完成對加速器的升級改造（BEPCIII），將其在高能區的亮度提高3倍左右。

要繼續挖掘和拓展物理潛力，開發新的物理研究方法，在粲物理和輕強子物理研究方面獲得更多有顯示度的成果，包括輕強子研究，尋找膠子球、多夸克態、混合態等奇異粒子，檢驗量子色動力學，推動格點量子色動力學發展，精確測量標準模型各種參數，檢驗其有效性等。

2）積極參與日本的BELLEII和COMET實驗、歐洲的LHCb和Panda實驗以及美國的GlueX實驗，在味物理、強子物理、弱電理論和量子色動力學精確檢驗等方面開展研究，拓展研究內容和範圍，發揮傳統優勢，取得重要成果。

3

中微子

1）繼續開展基於反應堆的中微子振盪研究，儘快完成江門中微子實驗建設。

爭取首先測定中微子質量順序，將中微子振盪矩陣4個參數的精度提高一個量級，開展超新星中微子、地球中微子和太陽中微子等天體物理研究。

2）在2030年左右對江門中微子實驗進行升級改造，使其成爲靈敏度最高的雙貝塔衰變實驗，以測量中微子絕對質量，判定中微子是馬約拉納粒子還是狄拉克粒子，即中微子是否自身就是其反中微子。

3）積極參與國際中微子實驗，如加速器中微子實驗、EXO/nEXO雙貝塔衰變實驗等，以培養隊伍，掌握技術，廣交朋友，吸引更多的人蔘加江門實驗。

4

宇宙線與暗物質

1）完成LHAASO實驗建設，在宇宙線能譜和成分測量、宇宙線起源和加速機制等方面取得重大成果。以國際最高靈敏度開展伽馬天文研究，尋找暗物質粒子。

2）積極開展切倫科夫望遠鏡的研製，通過與LHAASO巡天觀測相結合的定點觀測，大大提升對低能伽馬的探測靈敏度和定位精度，開展伽馬天文研究。

探索以合適方式參與國際高能中微子實驗，更加深入地理解宇宙線起源和加速機制。

3）繼續參加國際空間站上的AMS實驗，參與數據分析和探測器升級改造，在空間進行宇宙線探測研究，測量宇宙線能譜和成分，尋找反物質和暗物質。

4）積極推動中國空間站上的空間高能宇宙輻射探測設施（HERD）試驗，爭取在十四五末或十五五初發射。

以更高精度、接受度和能量範圍，測量宇宙線能譜和成分，尋找暗物質粒子。

5）完成錦屏地下實驗室建設，推動PandaX和CDEX繼續開展物理分析和探測器升級改造。

發揮世界最深地下實驗室的優勢，尋找新實驗項目與方案，包括天體物理與無中微子雙貝塔衰變實驗。

6）積極參與國際實驗，包括意大利的Darkside暗物質實驗，美國或韓國的軸子尋找實驗等。積極探索新實驗的可能性，包括更高靈敏度的暗物質尋找、水下高能中微子實驗等。

5

理論、技術與其他

1）積極關注相關領域的發展，包括核物理與核技術、天體物理與宇宙學、量子計算與量子測量、機器學習與大數據、計算與網絡等，充分利用其他領域的成果、技術與手段，互相啓發與激勵，開展交叉研究。

2）積極推動理論的發展，從弦理論、超對稱、場論到各種唯象理論、模型構造、數值模擬與計算等，引領與支持實驗發展，吸收並發展新思想和新方法，開拓新領域。

3）掌握並研發新的加速器與探測器關鍵技術，滿足各類試驗裝置的需要。拓展新的領域，研發新的技術，引領新的發展方向。

4）支持重大基礎設施平臺建設及技術研發，完成北京高能同步輻射光源、上海自由電子激光、中國散裂中子源2期和南方光源的建設，爲多學科研究服務，爲國民經濟、國防建設和人民健康服務。

5）積極推動技術轉移轉化，包括輻照設備、射線治癌、基於射線的各類檢查設備，如醫療、安檢、精密檢驗、工業CT等，建設科普基地，推動科學普及，吸引年輕人。

相關措施、準備與核心技術發展

爲實現以上規劃目標，完成相關任務，必須採取有力措施。

一方面要組織隊伍，按規劃開展工作，另一方面也要爭取政府、公衆和科學界的支持，推動有關新項目立項。

事實上，在過去5~10年的時間裡，除了已經立項、正在建設的項目之外，我們分別採取了一些重大措施，開展了以下物理和技術準備工作：

1）在國際上率先提出“建設環形正負電子對撞機作爲希格斯工廠，再升級爲質子對撞機”是未來高能物理髮展的最佳路線。

組織國內外的隊伍，完成科學目標研究和加速器及探測器的概念設計。經過7年的努力，這個方案被國際社會認可，也成爲歐洲核子中心的未來發展路線。

2）積極推動關鍵技術預研，包括國內急需的超導高頻腔、高功率高效速調管等，取得初步成功。

特別是在國際上首次實現中溫退火工藝，小批量製作成功具有國際領先指標的超導高頻腔，可以批量供應上海自由電子激光項目，使其核心關鍵設備有了國內來源。

3）在國際上首次提出採用等離子體加速的直線注入器方案，用傳統加速器與等離子體加速器結合，克服新加速原理的困難，開闢等離子體加速未來發展的新思路。

新技術除了可以用於超高能正負電子對撞機之外，也可以用來建造桌面小型電子加速器甚至自由電子激光裝置。

4）在國際上首次提出未來高能質子加速器應該採用高溫超導，特別是鐵基高溫超導技術。組建了國內的產學研合作組，開展聯合攻關，取得初步成效。

研製成功國際最長、性能最好的鐵基超導電纜和國際首個鐵基超導線圈，驗證了其基本技術路線和發展潛力。

5）開展硅像素探測器及其集成電路讀出芯片的研製，分辨率高達3~5 μm，世界最高。

在此基礎上成功研製了用於同步輻射的硅像素探測器，指標超過進口產品，正在建設的北京高能同步輻射光源上首期十幾臺套此類設備可以實現國產化。

6）開展了基於微通道板的20吋光電倍增管研製，成功用於江門中微子和LHAASO實驗。

正在研製的高速微通道板型光電倍增管將在國防、安全檢查、醫療設備、科學研究等方面有廣泛應用，也大大提高了相關企業光電器件的研發能力。

此外，切倫科夫望遠鏡、摻鍀液體閃爍體等前瞻研究也將爲LHAASO和江門中微子實驗的後續升級奠定基礎。

（7）積極開展“從0到1”的前瞻技術預研，包括鐵基超導材料鍍膜的超導高頻腔、基於6G通信技術的探測器無線數據傳輸系統、新型4D晶體量能器、高溫超導大型螺線管磁體等。

可以看到，一方面在CEPC的引領下，關鍵核心技術的研發蓬勃發展，取得豐碩成果；另一方面，這些技術的應用範圍遠不止CEPC本身，溢出效應極爲明顯。

事實上，國外也看到了這一點，最近歐洲安排了每年2000萬歐元的未來環形對撞機（FCC）預研經費，幾乎是CEPC過去相關預研經費的10倍。中國提前安排的這些預研有可能很快被追上。

粒子物理的研究離不開關鍵技術研發，前瞻的科學需要前瞻的技術，反過來也會推動技術的發展。

只有在科學上領先的裝置，才需要進入技術上的無人區，纔會帶來豐厚的回報。這是我們追求卓越、追求基礎科學世界領先的另一層重要意義。

本文節選自《科技導報》2021年第3期，原文標題爲《探究物質最深層次的物理規律：中國粒子物理髮展規劃的思考》，歡迎訂閱查看。

內容爲【科技導報】公衆號原創，歡迎轉載

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