探微观之谜 展创新之力（院士新语）

来源：人民日报

如果缺乏科学上的领先地位，在新技术上我们只能是追随者，缺失源头创新能力。我们必须勇于承担前沿探索的风险，才能打通并掌控科技创新的全链条

高能物理，也称作粒子物理，研究的是物质最深层次的结构，是对分子、原子、原子核研究的自然发展与深化。

那么，对物质的基本结构，我们是怎么进行研究的？

早期是借助显微镜，可以看到的最小尺度为光的波长，约为10-7米；为看到更小的结构，人们采用电子显微镜，电子的波长可以小3个量级，达到10-10米；继续减小，就需要依靠加速器把电子提升到更高的能量，即更短的波长。目前可以观测到的最小尺寸为约10-15米。

通过加速器提高能量、减小波长，利用探测器——复杂的“电子眼”，就可以研究前沿微观世界。

古希腊时期，人们认为构成物质世界的最小单位是原子。到了19世纪，现代科学意义上的原子论得以建立，元素周期表和化学分子成为物质结构的基石。20世纪初，人们理解了物质更精细的结构——原子核里有质子和中子，而电子在外面绕着它转。20世纪五六十年代，人们在加速器实验中发现数百个新粒子。最终，我们理解了质子、中子和新发现的很多粒子都是由夸克这种基本粒子构成，电子和中微子也是基本粒子，且其家族与夸克有很好的对应关系。描述基本粒子之间相互作用与转化的标准模型取得了巨大的成功，共获得约30个诺贝尔科学奖。

对于粒子物理的研究到尽头了吗？未来的发展方向是什么？

我们的回答是，标准模型虽然成功描述了已知基本粒子及其相互作用，但仍无法解释暗物质、暗能量及物质—反物质不对称性等重大科学问题，理论本身也存在许多不自洽、不完整之处，特别是实验上发现了一些与标准模型不符的现象，如中微子有质量。因此，未来粒子物理学的发展需要突破现有框架，探索新的物理规律。

面对这一挑战，中国在高能物理领域迎来了重要机遇。近年来，我国在该领域取得了多项突破。例如，北京正负电子对撞机（BEPC）及北京谱仪（BESⅢ）对XYZ粒子的研究为全球粒子物理研究贡献了关键数据，大亚湾中微子实验展现了中国在粒子物理前沿的创新能力。

展望未来，我们的研究除发展新的理论之外，还要寻找新的实验证据。比如在太空、地下，在加速器或中微子设施中寻找更多关于暗物质、反物质、中微子等的新物理现象。

粒子物理发展到现在，除了中微子振荡之外，标准模型的建立几乎都依赖于加速器。将来要解决上述问题，加速器虽非唯一途径，但无疑是最主要的手段。至于建什么样的加速器，存在各种选择（如直线或环形、电子或质子），各有各的可行性，中国高能物理面临的关键抉择是应该优先发展哪条路径呢？

2012年，我们发现对于中国最佳的技术路线和方案：先建设环形正负电子对撞机，待其科学使命完成后，在同一隧道内升级质子对撞，“一道两用”实现隧道资源高效复用。5年后，欧洲核子中心也宣布，建设环形加速器是最佳方案，从另一个角度印证了我们的判断。事实上，我们不仅在科学上抓住了未来发展的“牛鼻子”，在方案与技术上也实现了创新与领先。过去10多年的研发不仅使设备国产化率达95%以上，也在许多概念和技术上实现了全球引领。

历史上，对撞机技术作为源头，催生了加速器的广泛应用。比如同步辐射光源来源于环形对撞机，自由电子激光来源于直线对撞机。而这些关键技术，又进而成为众多学科与产业发展的基石。例如，同步辐射及散裂中子源，是材料结构与性能研究的利器；辐照效应，紧紧牵动着高科技企业在芯片、手机终端、锂电池、先进制造、医药等方面的研究。

如果缺乏科学上的领先地位，在新技术上我们只能是追随者，缺失源头创新能力。即便技术指标偶有超越，但其源头创新在国外。因此，科学领先是技术主导的前提，否则核心技术必将受制于人。我们必须勇于承担前沿探索的风险，才能打通并掌控科技创新的全链条。

粒子物理是人类文明的标志性成就之一，中国正在追求从一席之地走向全面领先。

（作者为中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员，本报记者吴月辉采访整理）