研究生粒子物理学

粒子物理学作为一门基础科学，其实与我们每个普通人都息息相关。但是，它的貌似高大上和它的晦涩难懂又让无数人对它敬而远之。作为非专业人士，我们不可能系统地学习粒子物理学，但通过阶段性的知识积累，也能够让我们对整个粒子物理学有更多的理解。说粒子物理学与我们每个人都息息相关，那是因为作为地球生物的我们，都是由内在化学过程极其复杂的细胞分子构成的，而生物体的分子又都是由92种基本元素构成，这92中基本元素又由3个部分组成：质子、中子和电子。尽管当代物理学家尽了最大的努力，但还是无法将电子拆分成更小的粒子。然而，借助强大的粒子加速器，物理学家深入了质子和中子的内部，发现了名叫夸克的粒子。和电子一样，人们也无法将夸克拆分成更小的粒子，所以目前科学家一致认为，电子和夸克就是宇宙中所有物质的最基本的组成单元。在粒子物理学标准模型中，列出了构成宇宙万物的12种基本粒子，即三代6种夸克和三代6种轻子，另外还有载力子和与粒子质量有关的希格斯玻色子（载力子和玻色子文中暂不讨论）。要想合成一个质子，你需要2个上夸克（每个带2/3单位的正电荷）和1个下夸克（带1/3单位的负电荷），这样就得到一个单位的正电荷；要想合成一个中子，你需要1个上夸克和2个下夸克，这样中子的电荷数就为零。质子和中子都属于重子，也就是由3个第一代夸克（上夸克和下夸克）组成的粒子。有了质子和中子，你就可以将它们合成原子核，然后加上电子就得到了原子，进而合成分子、细胞和人体。聪明的读者可能会有一个疑问：既然夸克有6种，那么一定会有很多种组合方式，为什么质子和中子偏偏都是由第一代的2种夸克组成呢？确切地说，要想解释在粒子加速器里看到的粒子所有的性质，仅凭上下夸克是远远不够的，还需要另外4种夸克，即带2/3单位正电荷的粲夸克和顶夸克，它们是第二代夸克；以及带1/3单位负电荷的奇夸克和底夸克，它们是第三代夸克。6种夸克理论上会有56种不同的3夸克组合，但是，我们的宇宙构成物质仅采用了第一代的2种夸克，为什么会这样，至今仍然是宇宙学中的一个未解之谜。（其他夸克组合确实存在，比如3个上夸克组成Δ++粒子或3个下夸克组成Δ-粒子，但这些粒子极不稳定，约0.000000000000001秒就会衰变为普通粒子。）介绍完夸克，再简单说说其他6种轻子。电子属于轻子，但电子也有质量更大的兄弟，即缈子和陶子，它们3个被统称为轻子世代。每一个轻子又都有一个像幽灵般的质量为零的粒子相伴，这个粒子就是中微子。所以3个轻子分别又有对应的电子中微子、缈子中微子和陶子中微子，呈电中性的它们几乎不与其他粒子相互作用，因此它们能够悄无声息地穿过任何物质而不被察觉。从构成宇宙物质92种基本元素的角度来说，这就是全部了，即6种夸克和6种轻子共12种基本粒子（当然，它们都有各自的反粒子），它们就是宇宙最基本的组成单元。目前我们可以这样认为，无论你看到的物质多么复杂，都是由几种基本粒子构成的，这些粒子就像乐高积木一样以多种方式组合排列，通过少数几种基本力结合在一起构成了整个宇宙，以及宇宙中的我们，甚至任何其他可能存在的生命形式。

近年来，物理学家们对来自大型强子对撞机(LHC)的数据越来越感到不安。我们花了几十年的时间，精心设计出了亚原子粒子量子动物园的行为(亚原子粒子是已知宇宙中最基本的组成部分)。而标准模型是迄今为止我们所取得的成就顶峰，它的一些理论预测被证实在100亿分之一的误差范围内——这达到了一个非常惊人的精确度。但仍有许多问题还没有得到解答。首先，引力从何而来?为什么物质粒子总是拥有三个越来越重的、质量有特殊模式的副本?什么是暗物质，为什么宇宙中包含的物质比反物质多?为了解开这些谜题，物理学家们一直在将优雅而令人兴奋的新数学结构嫁接到标准模型上。从艾萨克·牛顿(Isaac Newton)时代起，基础物理学就沿着这条弧线展开了研究：追求统一。这条弧线中，科学试图将看似完全不同的“表面”现象通过识别、理论化并最终证明它们共同的“基础”起源来解释它们。这种自上而下的、推理的思维方式产生了许多值得关注的发现。牛顿认为，一个苹果掉到地上，以及围绕太阳旋转的行星，都可以用引力来解释。1928年，物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)将量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合起来，提出了反物质。自20世纪晚期以来，弦理论学家一直试图调和重力和量子物理学，他们将粒子设想成存在于10到26维空间中的微小振动弦环。因此，当欧洲核子研究组织(CERN)在2015年第二次在日内瓦郊外启动大型强子对撞机时，人们对理论验证的期望很高。物理学家们最具冒险精神的自上而下思维的成果终将受到考验。在第一个三年的运行中，大型强子对撞机已经取得了惊人的成果：2012年，CERN宣布发现了希格斯玻色子，它是在高能质子之间的正面碰撞中产生的。这种新粒子只存在了短暂的一瞬间，然后就以特定的、标志性的能量衰变为一对光子，正是这对光子引导我们发现了希格斯玻色子。但真正让科学界兴奋的不是新粒子本身，而是物质如何获得质量的理论的确凿证据。在1964年英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和其他科学家提出了他们的玻色子假设之前，新兴的数学模型预测粒子根本不应该有质量，但这显然是与证据相反的。最终，在这个假设被首次提出半个世纪后，玻色子正式进入了亚原子寓言集，这是标准模型有待实验验证的最后一部分。不过这一次，理论家们希望看到的更奇异的粒子和相互作用都没有出现。没有“静止夸克”，没有“胶子”，没有“中性子”。这个令人失望的结果现在包裹着标准模型的外壳，就像漂亮的旧护卫舰上的藤壶，正在把她拖到海底。看起来长达几个世纪的自上而下的统一进程已经停滞，粒子物理学可能面临全面的危机。在质量问题的背后，一个更大、更难的问题隐藏在标准模型中：为什么希格斯玻色子这么轻?在实验中，它的重量是质子质量的125倍，但是使用该理论的计算表明它应该更大：大约是质子质量的1000亿倍。这个超大质量的希格斯玻色子应该是量子波动的结果，这个量子波动即一个超重的粒子-反粒子对，它被产生后只存在了短暂的瞬间，随后就会湮灭。超重粒子对的量子波动应该会对希格斯玻色子产生深远的影响，希格斯玻色子的质量对它们非常敏感。标准模型中的其他粒子被某种数学对称性所屏蔽，不受量子效应的影响——也就是说，物体在转换过程中不会发生变化，就像一个旋转了90度的正方形——但希格斯玻色子是唯一的例外，它能敏锐地感受到这种影响。但事实并非如此，因为希格斯粒子的质量看起来非常小。一个合乎逻辑的解释是大自然选择了希格斯玻色子质量的初始值，以精确地抵消这些量子波动，其精确度为1016分之一。然而，这种可能性似乎微乎其微，因为初始值和量子波动之间没有任何关系。这就好比把一支尖尖的铅笔丢到桌子上，然后让它完全垂直地落在桌子上，在它的尖端保持平衡。从物理学的角度来说，铅笔的结构是不自然的或微调过的。正如空气的运动或微小的振动会让铅笔掉下来一样，希格斯粒子的质量也不应该被如此完美地校准，以至于它有能力抵消量子波动。然而，与其用一种不可思议的对应关系来解释这种现象，也许希格斯玻色子的自然性问题可以用一种更基本的新理论来解释：超对称理论。为了掌握超对称性，我们需要更仔细地观察粒子。粒子的行为有点像微小的旋转顶部，尽管它们的旋转量是有限的。例如，宇宙中所有的电子都有相同的自旋量;所有的光子都是这个量的两倍，所有的希格斯玻色子都没有自旋。自旋的基本单位是电子的自旋。其他粒子的自旋只等于某个整数乘以电子的自旋。每一次碰撞都是一个量子过程，这意味着它本质上是随机的超对称理论是一种连接不同自旋粒子的想法：它说它们是同一物体的不同方面。重要的是，如果反粒子的自旋是电子自旋的奇数倍，或者如果反粒子的自旋是电子自旋的偶数倍，那么影响希格斯玻色子的粒子-反粒子对的巨大量子波动会使希格斯玻色子变得更轻，或者更重。这意味着超对称理论可以平衡量子效应对希格斯玻色子质量的影响，就像跷跷板一样，一边是所有的奇数自旋粒子，与另一边的偶数自旋粒子完全平衡，整体效果是跷跷板不动，而希格斯玻色子质量也没有受到巨大的量子影响。超对称的一个主要结果是：我们所知道的每一个粒子都应该有一个具有完全相同属性的副本(“超级伙伴”)——除了两方面：第一，它的自旋应该有一个单位的不同，第二，这个超级伙伴应该更重。超级伙伴的质量不是固定的，但是质量越重，粒子和超级伙伴之间的抵消就越不准确，你就越需要依赖于粒子本身的质量来进行微调。人们可以使超级伴侣的质量大约是质子质量的1000倍，并且它们仍然能够相当好地运作，但是如果把质量增加10倍，这个理论就会变得很不自然。通过将质子撞击在一起，LHC应该能够产生这些质量是质子质量的1000倍左右的超级伙伴。要做到这一点，你需要通过爱因斯坦的狭义相对论方程：E=mc2(能量等于质量的平方)，把质子束的能量转换成预测的超级伙伴的质量。然而，每次碰撞都是一个量子过程，这意味着它本质上是随机的，你无法准确预测会发生什么。但是使用正确的理论，你可以计算出各种结果的相对概率，通过测量数十亿计的碰撞，你就可以根据产生的粒子的相对频率来检查理论的预测。正如你已经知道的，要想知道质子碰撞时发生了什么，需要大量的观察工作。在这种情况下，你试图通过观察超对称粒子衰变为更普通的粒子来检查它们产生的频率。这些副产物的位置是由巨大的探测器来测量的，这些探测器放置在LHC的反向旋转光束的交叉点周围，就像一个巨大的三维摄像机。超对称粒子的特征是产生一种看不见的很重的粒子，它能像小偷一样溜进探测器并不留痕迹。这些非常弱相互作用的粒子是宇宙中暗物质起源的候选粒子;我们从宇宙论的测量中了解到这种奇怪的、看不见的物质数量应该是普通物质的四倍。它们存在的危险信号意味着碰撞产生的动量被窃取，也意味着碰撞前后的动量不平衡。我和我的同事密切关注着大型强子对撞机，寻找超级伙伴的蛛丝马迹。但是目前我们还没有找到，我们开始问自己，我们是否不知何故地错过了它们，也许有些碰撞产生的粒子能量太低而无法观测。或许我们对暗物质粒子的看法是错误的——或许还有其他不稳定的粒子。但最终这些想法并不能让我们放弃现在的努力。利用各种实验分析技术，对其进行了筛选和证伪，另一种可能是：超级伙伴比我们预期的要更重一些;因此，也许希格斯玻色子的质量确实有一些抵消(比如说，几百分之一)。但是，随着数据的增加，以及大型强子对撞机的束流能量不断增加，作为希格斯玻色子自然性问题的解决方案，超对称理论这个解释的可能性正在变得越来越小。最糟糕的迹象是，自然性的问题并不仅限于希格斯玻色子。问题是什么时候放弃超对称理论还尚不清楚。的确，更多的数据正在从大型强子对撞机实验中出来，但是目前依然没有看到超级伙伴存在的蛛丝马迹，如果它们的确存在的话，它们就会变得越重，解决问题的可能性也就越小。但是现在还没有一个明显的可以让人说“啊，好吧，就这样吧——超对称理论已经行不通了”的点。每个人都有自己不再相信的那个点，那个点就算不能让人们停止相信，至少也足够让人们停止工作，而且他们对这个点都具有自己的偏见。大型强子对撞机实验仍在进行中，在寻找超级伙伴方面仍有大量努力，但我的许多同事已经转向新的研究课题。在我科学生涯的前20年里，我咬牙切齿地认为在LHC实验数据中会发现超级伙伴的方法，现在我几乎把它作为一个研究课题而放弃了。这也可能是因为我们对希格斯玻色子之谜的框架理解有误。也许我们在计算质量的数学框架中漏掉了一些东西。研究人员一直沿着这条思路工作，到目前为止什么也没有找到，但这并不意味着没有解决方案。另一种怀疑与一个事实有关，那就是重粒子的假设依赖于基于量子引力理论的论据，尽管这种理论存在数学上一致的结构，但尚未得到证实。也许，在目前的粒子物理学研究方法中，最糟糕的迹象是：自然性的问题并不局限于希格斯玻色子中。计算告诉我们，真空空间的能量(我们从宇宙论测量中推断它应该是微小的)应该是巨大的。这将使宇宙的外层空间减速远离我们，而事实上，对某些遥远超新星的观测表明，我们宇宙的外层空间正在加速远离我们，超对称理论并不能解决这个矛盾。我们中的许多人开始怀疑，能够解决宇宙的真空能量这个更困难的问题的理论，肯定也会解决关于希格斯粒子质量这个相对更简单的问题。所有这些挑战都是由于物理学坚持还原统一而产生的。无可否认，这种方法有其独特的历史渊源。在我上世纪90年代攻读博士学位和早期职业生涯中，它在理论家中风靡一时，而极其复杂的弦理论数学更是它的巅峰，但我们自上而下的努力似乎都没有取得成果。试图理解基本原则的困难之一是它要求我们做出许多理论上的假设，其中任何一个都可能最终是错误的。我们希望在这个阶段能够测量出一些超级伙伴的质量，这将给我们一些数据来支持我们的假设，但我们还没有找到任何可以测量的东西。这并不意味着我们需要放弃统一范式，这只是意味着渐进主义比专制主义更受欢迎。相反，我们中的许多人已经从传统的自上而下的工作方式转变为一种更加谦逊、自下而上的工作方式。现在，我们不再试图通过提出一个宏大的理论并对其进行测试，而是在实验数据中寻找蛛丝马迹，然后一点一点地进行研究。如果一些测量与标准模型的预测不一致，我们添加一个具有相对应属性的相互作用粒子来解释它，然后我们看它是否与其他数据一致。最后，我们想知道未来如何观察粒子及其相互作用，以及实验应该如何筛选数据以进行测试。自下向上的方法远不如自上向下的方法雄心勃勃，但它有两个优点：它对理论的假设较少，而且与数据紧密相连，这并不意味着我们需要放弃旧的统一范式，它只是表明我们不应该如此傲慢以至于认为我们现在可以在一步之内统一物理。这意味着渐进主义比专制主义更受欢迎——我们应该在全部情况下都使用经验数据来检验和指导我们，而不是做出那些在面临最终实验的时候会崩溃的宏伟假设。自下向上的一个测试例子就是底介子，底介子是一种由底夸克和轻夸克组成的复合粒子。底介子似乎在以一个“错误”的可能性在衰变。在大型强子对撞机上的实验已经测量了数十亿次这样的衰变，但似乎从特定的相互作用中得到介子对的概率大约是标准模型所预测的概率的四分之三，我们还不能完全确定这种现象是否与标准模型存在强烈分歧——我们正在分析更多的数据，以确保结果不是由统计数据或一些微妙的系统错误造成的。而我们中的一些人正忙于推测这些发现可能意味着什么。两种不同类型的、新的、未被观察过的陌生粒子——Z-primes和轻夸克，每一种粒子都深埋在底介子的内部——它们可能是造成底介子行为失常的原因，问题是人们并不知道是哪一种(还是两种)类型的粒子需要对此负责。为了进行检验，理想情况下，我们应该在大型强子对撞机的对撞中产生它们并检测它们的衰变产物(这些衰变产物应该包括具有一定能量的介子)。大型强子对撞机有机会产生Z-primes或轻夸克，但也有可能它们太重了，而在那情况下，人们需要建造一个更高能量的对撞机：一个将能量束的强度提高到LHC的7倍雄心勃勃的计划，这将是一个不错的选择。与此同时，我和我的同事们问：“为什么会有新的粒子存在?一种新的数学对称性有可能是Z-primes存在的原因：它需要z素数的存在才能成立。从这个对称中，我们得到了额外的理论约束，以及一些可能的实验特征的预测，这些特征可以在将来的实验中得到验证。通常，底介子也被预测有一定的可能性以其他方式衰变，例如，衰变成为一个叫做反介子的东西。大型强子对撞机将在未来积极分析其数据，以获取此类信号。我们从一个实验特征开始(特定的底介子衰变与标准模型预测不一致)，然后我们试图“塞入”一个新的假设粒子来解释它。它的预测必须与当前的数据进行比较，以检验这种解释是否仍然可行。然后我们开始建立一个额外的理论结构来预测粒子的存在，以及它的相互作用。这一理论将使我们能够预测未来的衰变测量，以及在LHC中寻找新粒子的直接产生。只有考虑到这些测量和搜索的所有提示，并对模型结构进行调整之后，我们才可能希望将这个结构嵌入一个更大、更统一的理论结构中。这也许会使我们逐步走上统一的道路，而不是试图一步到位地完成统一的过程。

博科园：本文为粒子物理学类1. 最深刻的谜题为什么我们会存在？这个问题是现代物理学中最深奥的谜题之一。但现在，我们离找到答案又更近了一步。为了理解究竟发生了什么，让我们回到宇宙诞生之初。138亿年前，在大爆炸之后，宇宙中产生了等量的物质和反物质。从最小的尘埃到巨大的恒星，宇宙中的每一个结构都是由物质构成的。但是，反物质也同样能完成这项工作。除了拥有相反的电荷之外，它们的性质几乎与物质一样。物质和反物质无法在同一个物理空间中共存，因为如果它们相遇，就会相互湮灭，以光子的形式释放出能量。物质与反物质相遇会湮灭。图片：RealLifeLore/YouTube但是，为什么我们所看到的宇宙完全是由物质构成的？如果曾经有等量的反物质产生，宇宙中的一切都应该湮灭，也就意味着不会有星系、恒星、行星、你、我的存在。为了解释为什么物质在那场终极湮灭大战中获得胜利，物理学家一直在寻找物质和反物质在行为上的微小差异。3月21日，欧洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作者在意大利的Rencontres de Moriond会议上公布了他们的最新发现：他们找到了解释物质-反物质不对称性的新来源。或者更精确地说，他们观测到了粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰变中的电荷-宇称破坏（即CP破坏）。这个新的结果注定将被写进物理学的教科书。2. 物质与反物质1898年，舒斯特（Arthur Schuster）发表在《自然》的两篇文章中首次提出了反物质的概念。1928年，狄拉克（Paul Dirac）为反物质写下了坚实的理论基础。1932年，安德森（Carl Anderson）第一次在实验中发现正电子（电子的反物质）。虽然反物质听起来似乎非常罕见，但事实上我们日常食用的香蕉（富含钾）中平均每75分钟就会释放出一个正电子。然后它们会与物质电子湮灭释放出光。我们看到的所有物质都是由被称为夸克和轻子的基本粒子组成的。夸克有六种：上、下、奇、粲、底、顶。同样地，轻子也有六种：电子、μ子、τ子和三种中微子。这12种粒子都有其相应的反物质粒子，它们的唯一区别就是拥有相反的电荷。标准模型中的基本粒子理论上，反物质粒子应该是它们的物质伙伴的完美镜像。但实验表明，情况并非总是如此。以一种被称为介子的粒子为例，它是由一个夸克和一个反夸克组成的。中性介子具有一个迷人的特性：它们可以自发的转变成它们的反介子，反之亦然。在这个过程中，夸克会转变成反夸克，反夸克也会转变为夸克。但实验表明，随着时间的推移，这种情况会更多地朝一个方向发展——产生的物质要多于反物质。3. 自然并不总是对称的在含有夸克的粒子中，只有那些包含奇夸克和底夸克的粒子被发现具有这种不对称性（即CP破坏）。这些都是非常重要的发现。1964年，克罗宁（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）第一次在中性K介子（包含了一个奇夸克）上观测到这种效应，这使得理论学家能够预测出六种夸克的存在——而那时已知存在的夸克只有三种。这在当时是非常令人震惊的发现，因为物理学界是如此肯定CP对称性是不会被破坏的。1970年代出，在卡比博（Nicola Cabibbo）和其他人的工作之上，小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）意识到CP破坏可以自然地被囊括在粒子物理学的标准模型的理论框架中。他们的想法最终在2001年得到了证实，当时BaBar和Belle合作组在中性B介子（包含了一个底夸克）衰变中也观测到了CP破坏。这两项发现分别获得了1980年和2008年的诺贝尔物理学奖。这些发现从根本上改变了我们对自然的理解4. 里程碑的新发现奇夸克和底夸克都带有负电荷（电荷均为-1/3）。理论上，粲夸克（电荷为+2/3）是唯一一个能形成具有物质-反物质不对称性的粒子的带正电荷的夸克。如果的确如此，那么这个效应也应该非常小，而且很难被探测到。现在，LHCb实验第一次成功地在一种被称为D介子（由一个粲夸克和一个反上夸克组成）的粒子中观测到了这种不对称性。为了观测这种不对称性，LHCb的研究人员使用了大型强子对撞机（LHC）在2011年至2018年间提供给LHCb实验的完整数据集（这些数据积累了足够的粒子衰变事件）。他们的目标是寻找D介子及其反粒子（反D）衰变成K介子和π介子的衰变率差别。这项研究结果的精确度达到了5.3标准偏差的统计显著性，要知道，在粒子物理学中，结果具有5个标准偏差就可以宣称是一个新发现了。这意味着我们很快就会在新的物理教科书上看到这一发现。CP对称变换会将一个粒子与其反粒子的镜像互换。LHCb观测到，在D介子（图右边的大球体）和它的反物质对应物反D介子（图左边的大球体）衰变为其他粒子时，这种对称性会遭到破坏。破坏的程度是根据每种情况下衰变数量的不同而推断出来的。图片：CERN如果这种不对称性与导致奇夸克和底夸克不对称性的机制不同，那么就为物质-反物质不对称性留出了空间，这可以增加早期宇宙中不对称性的总量。这很重要，因为少数已知的不对称案例无法解释为什么宇宙包含这么多物质。当然，单凭粲的发现还不足以填补这个空白，但这是理解基本粒子相互作用的一块重要拼图。之后，理论物理学家需要更努力地去解释此次的发现，他们需要弄清楚标准模型是否可以解释这一结果。虽然我们仍然不能完全解开物质-反物质不对称性之谜，但最新的发现或许打开了一扇通往未知现象的大门。相信终有一天，我们会揭开为什么我们得以存在的谜底。博科园-科学科普｜文: CERN转自: 原理/principia1687博科园-传递宇宙科学之美博科园-请看更多精彩内容：高达每秒1111111米！超新星“踢”恒星的力度如此之大为什么是正物质主宰宇宙，不是反物质？对撞机重磅发现：玻色子产生的证据！快来看看吧

博雅塔下宜聆教，未名湖畔好读书，虽然暂时无法和来自五湖四海，心怀高远志向的你面对面相聚在燕园，但是北大依然敞开怀抱，用更加新颖的方式与更具深度的分享向你全方位展示一个充满魅力的学术殿堂。云游北大，赏遍湖光塔影，体验衣食住行；线上讲座，聆听大师教诲，感悟成长故事。这是一场短暂而充实的旅行，带你领略燕园四年风景，体味北大百廿精神。演讲者介绍高原宁，实验物理学家，北京大学“博雅”讲席教授、物理学院院长，核物理与核技术国家重点实验室主任，中国科学院院士。1983、1989年先后获北京大学物理系学士学位和博士学位。1989－2018年，在中国科学院高能物理研究所、英国伦敦大学皇家霍洛威分校、美国威斯康星大学麦迪逊分校、清华大学从事研究工作，主要研究领域为粒子物理实验。自2000年起组建并领导欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机底夸克探测器（LHCb）实验中国研究团队，2015年首次发现五夸克粒子2017年首次发现双粲重子。2002年获国家杰出青年科学基金资助；2017年获中国物理学会王淦昌物理奖，2020年获陈嘉庚科学奖数理科学奖。讲座内容各位同学，各位家长：非常高兴在北京大学优秀中学生寒假学堂跟大家见面。两年前，我曾经在北京大学校园开放日做过一期讲座；当时，就感觉很多同学对北大物理百余年的发展进步如数家珍，招生简章上也有更详细的介绍。喜欢物理的同学来到了北大以后，还有很多很多知识要学，还有一摞一摞教科书要读。今天的时间比上次稍微充裕些；作为一位对你们来说已经很老的物理学家，这里，我想给大家讲几则自己在专业学习和研究中所遇到的小故事，跟大家分享一些个人体会。我所从事的专业叫粒子物理学（particle physics），也叫做高能物理学（high-energy physics）。科学的很多重要研究方向都在试图回答一些很古老的问题。出于人类对自然界的好奇心，几乎所有文明都会问：组成世界的基本单元是什么？面对纷繁的自然界，几乎所有文明都认定：它应该由一些更基本的单元组成。这也是粒子物理学要回答的问题。当然，我们只知道基本的粒子像“盖楼的砖块”是不够的，还需要知道怎样把它们黏合起来，这些基本的粒子怎样组成我们的世界；用一种比较专业的语言来说，就是它们之间的相互作用是什么。在追寻这个答案的过程中，人类取得了一系列非常伟大的成就。上图是与20世纪所建立的粒子物理标准模型（standard model）相关的数十位诺贝尔物理学奖获得者。让我们先来看看：粒子物理的标准模型到底是什么？粒子和场由此引出我的第一个故事——粒子和场。所谓基本粒子是什么呢？物质是由原子、分子组成的，这是大家在中学学到的。我们已经知道，原子不是基本的粒子，而是由原子核和核外电子组成的；原子核也不是基本的单元，而是由质子和中子组成的。我们后来又知道，质子和中子依然不是基本的单元——实际上，更基本的粒子是夸克（quark）。然而，电子迄今看来依然是基本的粒子。在目前的实验能力下，我们尚未看到所谓基本粒子呈现任何内部结构。夸克如果按尺度来说，比原子小很多很多。从图中我们看到，六种夸克，加上它们的反夸克，一共有12种夸克；电子和其他五种轻子，加上它们的反粒子，一共有12种轻子；此外，有一些传递相互作用的粒子。当然，还有一个非常奇特的粒子，后面会讲到——按照现代粒子物理标准模型，这些就是组成自然界的最基本的“砖块”，好像理解起来并不算太难；就像盖楼似的，先用夸克“盖”成质子、中子，再用质子、中子“盖”成原子核，一层层盖上去。但是，刚才讲过，我们不仅要理解“砖块”是什么，还要理解“砖块”和“砖块”是怎样黏合在一起的。这时就会发现，对于基本粒子这样一类奇特的研究对象，过去所学的很多理论知识是不够用的，我们没有办法真正地描述它的运动。很多同学可能知道，如果客体是宏观大小、低速运动的，基本上就是我们的日常经验，也就是大家熟悉的牛顿力学，众所周知的三个定律。如果速度比较高，例如说在接近光速的时候，牛顿力学就不能用了，这时需要用爱因斯坦的相对论；如果尺寸比较小，比如说到原子、分子尺度，牛顿力学也不能用了，这时需要用量子力学。我们现在所面对的基本粒子的特征与这三类情景都不太一样，它们处于一种非常极端的情况——既在微观尺度，又在高速运动，而且会有产生和湮灭——这一点非常重要。我们拿一个τ子的衰变举例：它有一定机会衰变成μ子加上两个中微子，也有一定机会衰变成比它轻的电子加上两个中微子。如果把一个τ子装进盒子，盯着看，它会在某个时刻突然无踪影，盒子里却出现了三个其他的粒子。大家在生活中一定没有碰到过这样的“奇事”。有些同学可能不以为然：“这有什么值得大惊小怪的呢？化学反应中有很多类似的现象，例如说水变成氢气和氧气。”实际上，二者是完全不一样的：氢原子和氧原子是一直存在的，没有发生变化，电解过程使它们从两个水分子重新组合成两个氢分子和一个氧分子；可以说，反应前后元素是守恒的，没消失什么，也没产生什么。刚才讲的τ子衰变可能有些令人费解。大家不妨这样琢磨：τ子本来就不是基本的粒子，而是由μ子等三种粒子组成，相当于先打成一个包裹，而后包裹突然散开了。显然也讲不通，因为τ子还有其他衰变方式，包裹里不可能忽而装着这几个粒子，忽而装着其他几个粒子。我们需要用什么样的理论框架才能解释这个问题呢？这就是所谓量子场论（quantum field theory, QFT）的基本概念。大家可能在中学接触过“场”的一点知识，比如说电场。场好像是在空间到处弥散的；而粒子是很实在、透不过去的——实际上，这样的粒子和场在量子场论的逻辑下可以统一起来。我们的世界首先充满了各种场，每一种粒子都对应一种场；场才是最基本的，被激发以后会呈现粒子的特征。如果所有的场都处在基态，也就是能量最低的状态，那么，所有的场我们都看不到，也就意味着物理真空。换句话说，所谓物理真空并不是“真”的“空”的，而是说所有的场都处在基态的状态。建立起这样一种描述，τ子的衰变就容易解释了：例如说，真空里有很多场，图中横向直线表示基态场。这时候，一个τ子被激发起来，相应的场就处于激发态；过了一段时间，这个场突然回到基态，把能量传递给其他场，于是接受能量的场被激发起来（我标记红色的地方表示反粒子的场）。这是不是就比较像前面给出的反应式了？我们只是说一个场被激发起来或者回到基态；并非真的有什么东西产生或消失了。如果激发的不是这个场，而是其他的场，那就是另一个反应式了。 这个模式常常让我联想到，自然界就像一把提琴。场处在基态时，相当于每一根琴弦都处于被拧紧的静态；当任一琴弦被拨动时，跳跃出一个音符，相当于产生了一个基本粒子。如果把粒子作为场被激发的呈现比做琴弦上被拨动的音符，我们的自然界就是用这把提琴所演奏的美妙乐曲。在量子场论的理论框架下，粒子物理标准模型可以被写成图中这位先生T恤上印着的方程——看上去如此简洁，却令人震撼地描述了目前已知的标准模型的全部内容和基本粒子的所有知识。而且，这样一个模型和理论框架具有超强的预言能力。把方程展开以后，一个粒子物理专业的学生可以写出很丰富的内容。一串串的方程令人眼花缭乱，实际上蕴含着一件不可思议的事情——其中每一项都在告诉我们基本粒子之间可能的相互转换，而前面的系数就是转换的机会；也就是说，仅仅在如此简约的几条理论假设之下，我们竟然就可以预言如此多的基本粒子之间的相互转换，并且明确转换几率。从这张转换几率预测图中可以看到，不同过程的转换几率相差8～9个量级，而理论推测和实验测量结果几乎非常精确地重合。所以，我们有时候会由衷地叹服：第一，自然界的的确确是有规律的；第二，人类的的确确可以发现、掌握这些规律。粒子物理标准模型正是我们人类写就的最漂亮的一份乐谱。以上就是我给大家讲的第一个故事；事实上，故事的大部分内容是四十年前读大二的时候，在日后成为我研究生导师的高崇寿先生课上听到的。高老师是一个说话和办事都特别慢条斯理的人。此刻，他描述这个理论时的一板一眼犹在耳畔，我自己也仿佛又一次感受到这个理论引起的内心的撼动——这就是我要学的专业！非常惭愧，我终究没能继承高老师从容不迫的神韵。在北大，有很多学富五车、才高八斗的老师，跟邻家哥哥、邻家叔叔和邻家爷爷那般不起眼，然而，当你走进他们的课堂，聆听他们的讲授，总会不自禁地被他们的名师风范所折服。希望同学们或早或晚能够坐在北大的某间教室里体味和感悟，更希望你们能够像我一样，找到始终激发自己好奇心、持续激励自己求知欲的专业。 什么是质量？接下来的第二个故事也是一个很简单的问题——什么是质量？质量是大家初中就学了的。F=ma是高中课本里最常见的，其中F和a是矢量（或者叫做向量，即既有大小、又有方向的量），这里的m叫做惯性质量；而牛顿万有引力定律中的质量叫做引力质量。我们今天只讨论前者。惯性质量和引力质量虽然具有完全不同的来源，但在实验上被发现几乎是严格相等的。这一点的背后隐藏着自然界一个非常深刻的秘密，最终促使爱因斯坦发现了广义相对论。基本粒子的质量比起我们的宏观客体是非常小的，如果以千克（kg）来衡量，就太不方便了。在粒子物理领域，我们利用E=mc2这个关系式，通常把一个基本粒子的质量表示为eV/c2的形式，例如电子的质量me大约是0.5 MeV，质子的质量mp将近1 GeV。质量在我们的世界里是一个非常重要的概念。同学们可能知道，质子和中子的质量已经分别被测量得很准确了，后者比前者重大约1‰，这对人类非常关键。由于中子比质子略重，所以中子是不稳定的，可以衰变成质子、电子加上中微子；而质子是稳定的，不会发生反向的衰变——这就意味着我们可以有氢原子！假设质子和中子的质量对调，质子就不稳定了，而如果稳定的是中子，它的外面不可能束缚一个电子，那么世界将完全不一样。不得不承认，我们今天依然困惑“千分之一”是怎么一回事。中子比质子重，但又不能重得太多，否则原子核会不稳定。这些非常奇妙的毫厘之差保证了我们身处的世界是今天这幅景象，然而背后也许包含着自然界又一个非常深奥的秘密。基本粒子也具有质量，且大小迥然不同。质量最轻的中微子和质量最重的顶夸克竟然差13个量级，令人难以理解。大家可以从一个理论的角度提问：基本粒子为什么要有质量？其质量或微小或巨大的区别里到底隐藏着怎样的奥秘？ 关于基本粒子的质量，我们也许应该从九年前讲起。2012年，对现在的同学们来说，可能早已是过去时了；我们这代人还记得，当时充斥着很多令人不安的传说，当然，这一年最终非常平静地度过去了。然而在世界科学前沿，2012年是一个非常不平凡的年份。在著名的美国《科学》（Science）期刊评选出的年度科学突破中，第一项就是欧洲核子研究中心（Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire, CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collide, LHC）上发现被称为“上帝粒子”（God particle）的希格斯玻色子（Higgs Boson），我们中国的大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式也榜上有名。这两个实验项目在同一年取得振奋人心的重要发现，多少有些巧合。从另一个角度来看，中国科学家在粒子物理领域的工作已跻身国际前列，但是与最高水平还有一定距离。为什么希格斯粒子如此令人瞩目呢？实际上，它与质量有关。1964年，彼得·希格斯（Peter Higgs）等六位科学家提出了一个对粒子物理领域来说具有划时代意义的理论设想；直到2012年，这一后来被叫做希格斯机制（Higgs mechanism）的理论才首次在实验上得到证实。上世纪90年代我在国外做博士后的时候，英国皇家学会拿出大约几千英镑，鼓励专业人士用通俗易懂的语言向公众普及什么是粒子物理、什么是希格斯机制，经过若干选拔以后，漫画中的这个小故事获奖了。尽管作者自嘲作品“糟透了”，我们粒子物理学界还是只能面对大众一遍遍地无奈复述：把空间遍布希格斯场想象成很多人在一间屋子里聚会，有人坐着，有人站着，有人喝酒，有人聊天。这时候，一个人推门而入，看上去显然是爱因斯坦的形象。由于他很有名气，人们纷纷过来跟他碰杯、打招呼，于是在他身边就会聚集起一伙人。大家可以设想自己在一个很拥挤的空间里遇见很多熟人，这时候你走不快，因为要不断地跟人问好，同时却又不能不走，因为被周围的人挤着、推着——你的运动状态很难改变，这就叫做惯性。在刚才的场景里，如果进来的是一位像我这样没什么名气的人，很轻松地就走过去了，相当于有些粒子，例如说电子，跟希格斯场的相互作用非常弱，很容易地就穿过去了；如果进来了一位大人物，例如说真是爱因斯坦，很多人簇拥过去，他就寸步难行，相当于粒子质量比较重。这个小故事听上去很有想象力。几乎所有的基本粒子在跟希格斯场发生相互作用时，会被赋予质量。然而，物理学的理论预言必须要被实验证实。假设自然界真的存在所谓希格斯粒子或希格斯场，就相当于一把提琴上有一根被叫做希格斯场的弦，一旦这根弦被拨动，就会激发出一个被叫做希格斯粒子的音符。如果观测不到希格斯粒子，我们就无法证明希格斯机制是正确的。于是，在之后的48年里，人类竭尽所能，造了一台台新的加速器，提升到更高的能量，一次次使粒子获得更高的速度，然后对撞，试图拨动停在真空中奇特的琴弦，却一次次得到令人失望的负面结果；唯一得到的有效信息是：希格斯粒子如果存在的话，质量会更重。从上世纪80年代我正式踏入粒子物理的门槛，到2000年我从欧洲核子研究中心回国，近距离地目睹了人类为此付出的巨大努力。新世纪以来，随着当前世界上最大、能量最高的大型强子对撞机建成并运行，2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，超环面仪器（ATLAS）和紧凑缪子线圈（CMS）实验分别发现了希格斯粒子，将人类近半个世纪的苦苦求索和期盼推向光辉的顶峰——“I think we did it”“I think we have it”（时任CERN总干事洛夫-迪特·霍耶尔（Rolf-Dieter Heuer）语）！这个粒子的确很重，其质量mH几乎是质子质量mp的130多倍。今天重新翻看CERN新闻发布会的照片，依然会为现场洋溢的笑容、热烈的欢呼和掌声所感染。右上图中被拍到摘下眼镜、擦拭眼角的就是希格斯，当时已经83岁了；他和弗朗西斯·恩格勒（Francois Englert）应邀前来见证这一值得全人类欢欣鼓舞的时刻，第二年同获诺贝尔物理学奖。左上图中穿红色上衣的女士是ATLAS实验组当时的发言人、现任欧洲核子研究中心总干事法比奥拉·吉亚诺蒂（Fabiola Gianotti）；我回国前曾经与她共事过。在粒子物理领域，有很多像吉亚诺蒂这样能力超群、成就卓著的女科学家，借此也非常希望有更多的女生学物理，来北大学物理。希格斯粒子大概是人类历史上最奇特的一个粒子，到目前为止，我们对它的了解非常少，很多细节性质都还不清楚。进一步了解希格斯粒子，可能会跟很多重要的、未知的领域产生联系，例如说有些同学听说过的暗物质、暗能量、宇宙中物质-反物质不对称（或者叫做电荷-宇称不守恒）；它的一些重要性质甚至可能会推动对宇宙早期演化的研究，例如说在宇宙大爆炸后的一瞬间宇宙介质到底是经历了一级相变还是二级相变。在接下来10～20年间，对希格斯粒子展开深入研究，应该是世界，也是我们中国高能物理最前沿的方向。基于现有情况，制定了多个专门的大科学计划，例如日本的国际直线对撞机（ILC），欧洲则打算在大型强子对撞机（环形隧道周长约27千米）完成以后再造一个环长80～100千米的未来环形对撞机（FCC），这无疑将是又一个令人期待的超级大科学装置。当然，中国高能物理学家也提出一个计划，叫做环形正负电子对撞机-超级质子对撞机（CEPC/SPPC），拟分别采用100千米和50千米周长的环形隧道，其中CEPC的《概念设计报告》在2018年11月已经正式发布，选址也一直在同步进行。这就是我讲给大家的第二个故事。希格斯机制只告诉我们基本粒子的质量来源，却依然没有解释为什么基本粒子的质量大小相差13个量级，电子与希格斯粒子的耦合如此弱，而顶夸克与希格斯粒子的耦合如此强。所以说，发现希格斯粒子是起点，而不是终结。技术发展与国际合作我所研究的粒子物理和其他一些听起来很高深的学科，很多时候可能会被大家认为是“无用之学”，然而，它们对我们的日常生活和经济社会发展究竟有哪些实用意义呢？希格斯粒子的发现不仅具有非比寻常的科学意义，更是一个里程碑式的重大事件，引发全球数千家媒体争相报道。首先，它在理论上标志着粒子物理标准模型的完备——至此，所有被预言的粒子都找到了。全世界上万名科学家和工程师跨越国界、种族和信仰，集聚智慧和力量，将人类对微观物质和宏观宇宙的认知推向前所未有的高度。发现希格斯粒子的ATLAS（右上图为其内部结构的局部）也是大型强子对撞机四个大型探测器中最大的。同样值得关注的是，随着一个个大科学装置的建造，直接驱动了新概念的诞生和新技术的变革，例如说已经深刻改变人类生活方式的万维网（world wide web, WWW）。令我们骄傲的是，华为海量存储系统在顺利通过严苛的性能测试以后，为实现这一人类壮举提供了有力的技术支撑和保障。正如霍耶尔所说，“这是全人类努力的结果，也是全人类的成功”，“这一发现对未来影响深远”。我们正在讨论技术发展和国际合作，也就是今天的第三个小故事；我想借此请大家看一看欧洲核子研究中心到底是什么样子。对普通人来说，这是个很平常的、和北大校园差不多大的院子，里头多是很简易的、做实验用的房子，在拥有上百个国际组织总部的瑞士日内瓦并不起眼。然而，对以粒子物理为职业的人来说，绝对是一个非常神奇的所在。不同肤色、不同地域的人在一起工作、学习、生活，碰撞智慧，融汇文化，贡献想象力和创造力。很多学生访问回来说起，某天吃饭的时候，跟一位端着盘子、走过来坐下的老爷爷聊了两句，甚至教了他几句中文，过后才惊呼他就是书本里某个理论的提出者。我自己曾在CERN工作了大约十年，却没能把英语学得很好，原因是我不仅带着浓重的中国人的口音，而且还被身边的同事“传染”了很多其他国家和地区的腔调，例如说德国的、意大利的、法国的；换一个角度，这可能也是我最大的收获——听一个人说上几句话，大致就能判断出他是从哪个地区里来的。 作为当今世界最大的粒子物理研究中心，欧洲核子研究中心是在1953年由十二个欧洲国家发起，在1954年9月29日正式成立的。第二次世界大战结束以后，欧洲百废待兴。一群具有远见卓识的政治家、科学家基于欧洲非常浓厚的科学传统，希望通过有组织地开展粒子物理基础研究，推进欧洲重新崛起。发展到今天，有23个成员国，还有一些准成员国。可以想象，维持这样一个庞大机构运转的经费投入是巨大的，每年预算差不多10亿瑞士法郎，按照今天汇率折合的话，就是70亿元人民币左右；这笔费用由各成员国按国内生产总值（GDP）比例进行分摊。回过头来讲讲WWW技术，它是蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）和罗伯特·卡里奥（Robert Cailliau）在欧洲核子研究中心工作期间，为了方便遍及全球的高能物理研究机构获取和共享数据而提出的；伯纳斯-李后来被誉为“万维网之父”。在1990年出现第一个版本的时候，硬件条件很差，每次访问又慢又不好用，大家都觉得像看笑话一样；1991年，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）部署第一台欧洲以外的服务器；1993年，CERN向世界公开这项技术，直接推动了万维网蓬勃发展；到1994年底，全球网站超过10000个，网民超过1000万人；今天，全世界的WWW服务器近20亿个。中国科学院高能物理研究所在1986年的时候向CERN发出我们国家第一封电子邮件，1993年开通了我们国家第一条国际网络专线。由此可见，这项造福人类的技术创新和飞跃是与高能物理前沿研究休戚相关的。在庆祝CERN 成立五十周年的时候，有人粗略估算，仅WWW技术创造的经济效益就足以收回CERN半个世纪的总投资。随着大型强子对撞机的起用，欧洲核子研究中心的实验数据以前所未有的速度迅速增长，已经没有可能把数据存储在某个计算中心里面，于是就设想构造网格计算，最大程度地利用分布在世界各地的计算资源。我回国之前，就听到过关于日后该如何处理在LHC上产生天文数字般巨量数据的方案讨论。大家无法想象，当时整个CERN的计算和存储能力远不及现在同学们用的任何一部智能手机，然而，在设计这样一个超大型科学装置的时候竟然如此有前瞻性，并且通过和工业界紧密合作，超强的计算能力和高可靠的存储能力真的就达到了。所谓网格计算，就是把服务器、存储系统和网络联接起来，通过专用光纤把LHC的数据从日内瓦传输到30多个国家和地区的100多个计算中心，这样，全球高能物理学家就可以灵活地跨地域协同工作。上图展示的就是LHC计算网格（LCG）的站点分布，这是当前世界上最大规模的分布式运算网络；当然，也包括我们中国北京的高能物理研究所。此外，在高能物理、核物理研究过程中，派生和发展出很多其他的尖端技术，例如说在工业生产、生命健康等领域日益广泛应用的加速器技术，以及超导技术、低温技术、真空技术等，都对国民经济发展发挥着不可替代的作用。我们国家其实很早就意识到了这一点；上图是我刚回国的时候在《国家自然科学基金“十五”优先资助领域领域》里读过的一段话。正是获得这样的支持，我们才有机会加入大型强子对撞机上的国际合作实验，从而参与发现希格斯粒子等国际前沿研究，并做出首次发现五夸克态、首次探测到双粲重子等突出贡献。梦开始的地方我相信，参加北京大学优秀中学生寒假学堂的同学和你们的家长，很想借这样一个机会了解北大，了解北大物理。很多同学即将面临高考、报志愿、选专业，要做各种选择。在大家这个年纪，我觉得最重要的是找到一个能够帮助你开启梦之旅和未来之门的地方；而我自己的梦想正是四十多年前从北京大学物理系开始的。作为中国物理高等教育的策源地，北大物理跨越了108年的风雨兼程，始终以科学报国育英才为己任。我们可以说有着国内最全面的学科建设体系，包括物理学、天文学、大气与海洋科学、核科学与技术四个一级学科及13个二级学科；在这里，同学们总可以沿着自己感兴趣的方向去探索无限。今年5月，我们将迎来北大物理学院成立二十周年；2023年，还将迎来北大物理学科建立百十周年。衷心盼望在这样有重要纪念意义的日子里，能够见到新的面孔，注入新的血液，激发新的活力。燕园欢迎大家的到来，北大物理欢迎大家的加入。当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，同学们不仅需要斟酌去哪里读大学，更需要澄清自己的梦想是什么，抱负是什么，责任是什么。今天的热门专业也许二十年以后变得不再抢手；今天的新兴专业可能二十年以后变成了支柱专业。维基百科给出“物理学是研究物质、能量的本质与性质的自然科学”，这就意味着它是所有自然科学的基础；而技术是人类对自然规律的运用，这也意味着物理学是所有技术的基础。怎样才能适应开放的时代，怎样才能把握自己的未来，怎样才能让我们的梦在某个地方扎根、生花，我想，物理学真的可以教给你很多很多。最后，与大家分享我自己非常喜欢的一张图。当我们把目光投向辽阔天空，投向无垠宇宙，苍穹黑暗茫茫。但是，人类凭借智慧、勇气、毅力和热忱，一步步地向宇宙最深处进发，一次次地认识自我，挑战自我，超越自我。物理学照亮了世界，也照亮了人类文明。作为手擎科学火炬的物理人，我们怎能不骄傲？欢迎年轻的同学们从北大开始自己新的旅程，来北大物理求真知，寻真理，为人类的科学事业贡献自己的力量。谢谢大家！来源：北京大学 北京大学招生办 本文根据高原宁教授讲座视频整理，略有改动编辑 | 江佳明 冯莉雯 美编 | 童祎璐 审校 | 冯宣瑞 江佳明

现在粒子物理学的情况是，除了希格斯玻色子之外，大型强子对撞机还没有找到任何新粒子存在的证据，至少目前还没有。正因为如此，现在粒子物理学家对如何继续进行研究感到不知所措。即使他们在以后的数据中发现了一些东西，但已经很明显他们的预测是错误的。在过去的40年里，粒子物理学的理论发展主要是通过所谓的“自上而下”的方法来实现的。这些方法表示，基于我们所重视的原理创立一种理论，然后推导出我们期望在粒子对撞机中看到的东西。毫不夸张的说，这种方法效果很差。主要的问题是，物理学家用来构建他们理论的原理仅仅是审美需求。例如，自上而下的方法假定基本力是统一的，宇宙有额外的对称性，或理论中的参数是自然的。但是这些假设都是不必要的，它们只是美好的猜测。自上而下方法的对立面是自下而上的方法——从已经证实的理论开始，然后添加可能的修改，这样能使所做的修改只与还没有测试的情况相关。然后，从数据中找出哪些修改是有希望的，因为它们使理论更符合数据。这是一种非常不受欢迎的方法，因为数据已经一遍又一遍地告诉我们当前的理论很合适，不需要修改。所以自下而上的方法也不十分恰当。超对称性概念长期以来一直是最流行的自上而下的方法。从理论上讲，该领域的物理学家从数据中得出结论是一个好现象。但是如果他们不试着去了解哪里出了错——为什么那么多的理论物理学家相信那些不能描述现实的概念——他们就有重蹈覆辙的风险。如果他们只是在交换审美标准，那是无用的。事实上，自下而上的方法在科学方面是可靠的。但它们也增加了我们被新理论发展所困的风险，因为没有自上而下的方法，我们不知道在哪里寻找新的数据。这就是为什么一些用于理论发展的数学原理是可以使用的，也就是那些可以防止内部矛盾的数学原理。这种自上而下和自下而上对比的讨论并不新鲜，每次对新粒子的预测被证明是错误时都会出现。而且每一次这个领域的理论家都不去意识到他们方法的错误，仅仅是调整他们的模型来规避实验限制，并像以前一样继续。

北京时间6月23日消息，据国外媒体报道，物理学界的一项新发现或许将动摇粒子物理学的基础，并重塑我们对宇宙的认知。近期的一篇综述对三个独立进行的实验进行了总结，发现它们获得了“惊人类似”的结果。欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机底夸克实验（如图）发现了“耐人寻味的异常现象”这些研究显示，轻子普适性——标准模型的基础假设——可能并不成立。恰恰相反的是，研究结果指向一种存在于粒子物理学标准模型之外的新现象。“这些研究的观测结果似乎对轻子普适性提出了挑战，”一支国际物理学家团队在发表于《自然》（Nature）杂志的综述中写道，“这些结果的证实将指向新的粒子或相互作用，或许将对我们对粒子物理学的理解带来深远影响。”大型强子对撞机（LHC）轻子普适性是一个简单的规则，指的是特定基本粒子间的相互作用是一致的，尽管这些粒子具有不同的质量和寿命（衰变速率）。这些基本粒子被称为带电轻子，包括电子、μ子（muon），以及较重的τ粒子（tau）。综述中提到的三项研究分别是由美国、瑞士和日本的团队完成的。他们发现，基于电子和μ子的衰变速率，τ粒子的衰变速率要远高于标准模型的预测。尽管其中一个实验可能出现了统计学误差，但三个独立研究分别在三种不同环境下观测到了远高于预期的τ粒子衰变，这让粒子物理学家们有点坐不住了。这些实验的结果指向了粒子物理学标准模型以外的新现象“τ粒子是关键，因为电子和μ子都得到了充分的测量。τ粒子的测量难度更大，因为它们衰变得非常快，”综述作者之一、加州大学圣芭芭拉分校弗朗哥·塞维拉（Franco Sevilla）说，“现在物理学家得以更好地研究τ粒子，我们看到，轻子普适性或许并不是标准模型所宣称的那样。”这三项研究分别是在瑞士欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）、美国加州SLAC国家加速器实验室的BaBaR大型探测器，以及日本的Belle实验进行的，研究结果对轻子普适性的原理提出了挑战。综述团队表示，这三个研究给出的结果总体上具有99.95%的确定性。目前，研究人员希望确定这些结果是否预示着新的物理学现象，抑或只是统计学误差。“我们还不确定这些结果如果证实，长期来看意味着什么，”塞维拉说，“首先，我们需要确定它们是真实的，然后需要进行补充实验，以确定这些结果的含义。”如果实验结果指向新粒子或新规律，或许就能填补我们对宇宙的认知空白，为暗物质如何形成和运作等问题提供线索。简明亚原子物理学原子通常是由质子、中子和电子组成的，而它们又是由更小的基本粒子组成。基本粒子是人类目前已知的最小粒子，可以分为两类，一类是费米子，被认为是组成物质的粒子；另一类是玻色子，是使其他粒子聚集起来的媒介粒子。费米子中的亚原子粒子被称为夸克。当3个夸克结合时，会形成被称为重子的复合粒子。质子可能是最广为人知的重子。有时，夸克会与相应的反粒子（如反夸克，具有相同的质量和相反的电荷）相互作用，形成介子。介子常常出现于较重的人造粒子的衰变，而这类衰变通常出现在粒子加速器、核反应堆和宇宙射线中。介子、重子和其他受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。

史蒂文·温伯格（Steven Weinberg，1933年5月3日－），生于纽约，美国物理学家，1979年获诺贝尔物理学奖。《Four golden lessons》，是美国物理学家、诺贝尔奖(1979)获得者Steven Weinberg发表在Nature-scientist 上的一篇文章，文章中，温伯格为即将进入科研领域的研究生总结了四条箴言。Advice to students at the start of their scientific careers。文章英文原文深入浅出，行文优美。是科学大师温伯格近50年科研生涯的感悟和总结。堪称经典，读后获益匪浅，受到很多科研大牛及导师力荐。颜宁（国际著名生物学家，美国国家科学院外籍院士）看到后，感叹“写的真好”！“竟然是第一次看到这篇11年前的短文”。以下为《Four golden lessons》的中文译文/英文原文：golden lessons1:没人通晓一切，你也不必如此No one knows everything, and you don't have to. 我取得学士学位的时候，距今已经很遥远了。那时，物理学文献对我来说，就是一片广阔而未知的海洋。在开始任何研究之前，我都想仔细研究它每个部分的内容。因为，如果不知道这个领域的都已经做过的每个研究，我又如何能开展研究呢？幸运的是，读研究生的第一年，我运气很好。尽管我满心焦虑，但却得到了资深物理学者们的引导，他们坚持认为，我必须先开始研究，在研究过程中获取相关的知识。这就好比游泳，要么选择淹死，要么奋力游过去。令我惊讶的是，我发现这样做真的有用，我很快便获得了一个博士学位。尽管拿到博士学位时，我对物理学几乎一无所知，但是我确实学到了一个重要道理：没人通晓一切，你也不必如此。When I received my undergraate degree - about a hundred years ago - the physics literature seemed to me a vast, unexplored ocean, every part of which I had to chart before beginning any research of my own. How could I do anything without knowing everything that had already been done? Fortunately, in my first year of graate school, I had the good luck to fall into the hands of senior physicists who insisted, over my anxious objections, that I must start doing research, and pick up what I needed to know as I went along. It was sink or swim. To my surprise, I found that this works. I managed to get a quick PhD - though when I got it I knew almost nothing about physics.But I did learn one big thing: that no one knows everything, and you don't have to.golden lessons2:向混乱进军，因为那里才大有可为Go for the messes - that's where the action is. 如果继续用游泳来打比方，我学到的另一个重要道理就是：游泳时不想被淹死，就应该到湍急的水域去练习。上世纪60年代末，我在麻省理工学院教书时，一个学生告诉我，他想去研究广义相对论，而不是我本人研究的专业粒子物理学。他的理由是，前者的原理已广为人知，后者却好似一团乱麻。在我看来，他所说的恰好是做出相反选择的绝佳理由。粒子物理学还有许多创造性工作可以做，它在上世纪60年代确实像一团乱麻，但从那时起，许多理论和实验物理学家逐渐厘清这团乱麻，把一切（几乎一切）纳入一个我们现在所说的一个叫做“标准模型”的理论。所以我的建议是：向混乱进军，因为那里才大有可为。Another lesson to be learned, to continue using my oceanographic metaphor,is that while you are swimming and not sinking you should aim for rough water. When I was teaching at the Massachusetts Institute of Technology in the late 1960s, a student told me that he wanted to go into general relativity rather than the area I was working on, elementary particle physics, because the principles of the former were well known, while the latter seemed like a mess to him. It struck me that he had just given a perfectly good reason for doing the opposite. Particle physics was an area where creative work could still be done. It really was a mess in the 1960s, but since that time the work of many theoretical and experimental physicists has been able to sort it out, and put everything (well, almost everything) together in a beautiful theory known as the standard model. My advice is to go for the messes - that's where the action is.golden lessons3:原谅自己浪费时间Forgive yourself for wasting time . 我的第三条建议或许最难被接受：那就是原谅自己浪费时间。学生们只被要求回答教授们（当然，不包括残忍的教授）认为存在答案的问题。但是，这些问题是否具有重要的科学意义也无关紧要——因为解答这些问题的意义只为了让学生通过考试。但在现实世界中，你很难知道这些问题是否重要，而且在历史的某一时刻你甚至无法知道这个问题是否有解。二十世纪初，包括洛伦兹（Lorentz）和亚伯拉罕（Abraham）在内的几位重要物理学家试图建立一个电子理论，部分原因是为了解释为何地球在以太中运动所产生的效应为何无法被探测到。我们现在知道了，他们在试图解决一个错误的问题。当时，没人能提出一个成功的电子理论，是因为那时还没发现量子力学。直到1905年，天才的科学家阿尔伯特·爱因斯坦才发现，需要研究的问题应该是运动对时空测量的效应。从这一思路出发，他才创建了狭义相对论。你永远也无法确定研究什么样的问题是正确的，所以你花在实验室或书桌前的大部分时间都会被浪费掉。如果你想变得富于创造性，那你就应该习惯自己的大部分时间都没有创造性，同样应该习惯在迷路在科学知识的海洋里。My third piece of advice is probably the hardest to take. It is to forgive yourself for wasting time. Students are only asked to solve problems that their professors (unless unusually cruel) know to be solvable. In addition, it doesn't matter if the problems are scientifically important - they have to be solved to pass the course. But in the real world, it's very hard to know which problems are important, and you never know whether at a given moment in history a problem is solvable. At the beginning of the twentieth century, several leading physicists, including Lorentz and Abraham, were trying to work out a theory of the electron. This was partly in order to understand why all attempts to detect effects of Earth's motion through the ether had failed. We now know that they were working on the wrong problem. At that time, no one could have developed a successful theory of the electron, because quantum mechanics had not yet been discovered. It took the genius of Albert Einstein in 1905 to realize that the right problem on which to work was the effect of motion on measurements of space and time. This led him to the special theory of relativity. As you will never be sure which are the right problems to work on, most of the time that you spend in the laboratory or at your desk will be wasted. If you want to be creative, then you will have to get used to spending most of your time not being creative, to being becalmed on the ocean of scientific knowledge.golden lessons4:学习科学发展史，至少你研究的领域要了解Learn something about the history of science,or at a minimum the history of your own branch of science. 最后的建议是：学习科学发展史，至少，你研究领域的历史要了解。最起码，历史可能为你自己的科研工作提供一定帮助。比如，过去和现在的科学家们常常会因为相信像培根（Francis Bacon）、库恩（Thomas Kuhn）、波普尔（Karl Popper）等古代哲学家们所提出的过分简化的科学模型而被阻碍。而挣脱古代哲学家思想束缚的最好方式，就是了解科学发展史。更重要的是，对科学史的了解可以让你更加清楚自己工作的价值。作为一名科学工作者，你可能永远也不会变得富有；你的亲戚和朋友或许也永远不会懂你在做什么；更进一步，如果你在像高能粒子物理学这样的领域工作，你甚至无法获得做那种立竿见影的工作所带来的满足感。但是，如果你意识到你的工作是世界科学历史的一部分，你就能获得极大的满足感。Finally, learn something about the history of science, or at a minimum the history of your own branch of science.The least important reason for this is that the history may actually be of some use to you in your own scientific work. For instance, now and then scientists are hampered by believing one of the over-simplified models of science that have been proposed by philosophers from Francis Bacon to Thomas Kuhn and Karl Popper. The best antidote to the philosophy of science is a knowledge of the history of science.More importantly, the history of science can make your work seem more worthwhile to you.As a scientist, you're probably not going to get rich. Your friends and relatives probably won't understand what you're doing. And if you work in a field like elementary particle physics, you won't even have the satisfaction of doing something that is immediately useful. But you can get great satisfaction by recognizing that your work in science is a part of history.回望百年前的1903年，谁是英国首相，谁是美国总统都已经不重要了。我们看来真正具有重要意义的，是卢瑟福（Ernest Rutherford）和索迪（Frederick Soddy）在麦吉尔大学揭示出了放射性的本质。这项工作当然有实际应用，但更重要的却是其中的内涵。对放射性的了解使得物理学家终于能够解释，为何历经数百万年后，太阳和地球的内核仍然炽热。从前许多地质学家和古生物学家认为太阳和地球有着极为巨大的年龄，这就消除了科学上对此最后的异议。自此以后，基督徒和犹太教徒要么不得不放弃相信《圣经》所记载的教义，要么不得不承认自己与理性毫不相干。从伽利略到牛顿，再到达尔文，再到现在的科学家，他们的研究一次又一次地削弱了教条主义的禁锢，而卢瑟福和索迪的工作只是其中的一步。当今，只要随便阅读一份报纸，你就会知道这项任务还未完成。不过，这是一项令社会文明化的工作，科学家应该为此工作感到骄傲。Look back 100 years, to 1903. How important is it now who was Prime Minister of Great Britain in 1903, or President of the United States? What stands out as really important is that at McGill University, Ernest Rutherford and Frederick Soddy were working out the nature of radioactivity. This work (of course!) had practical applications, but much more important were its cultural implications. The understanding of radioactivity allowed physicists to explain how the Sun and Earth's cores could still be hot after millions of years. In this way, it removed the last scientific objection to what many geologists and paleontologists thought was the great age of the Earth and the Sun. After this, Christians and Jews either had to give up belief in the literal truth of the Bible or resign themselves to intellectual irrelevance. This was just one step in a sequence of steps from Galileo through Newton and Darwin to the present that, time after time, has weakened the hold of religious dogmatism. Reading any newspaper nowadays is enough to show you that this work is not yet complete. But it is civilizing work, of which scientists are able to feel proud.Article Source: Nature 426, 389 (27 November 2003)doi:10.1038/426389aScientist: Four golden lessons by Steven Weinberg中国生物技术网诚邀生物领域科学家在我们的平台上，发表和介绍国内外原创的科研成果。注：国内为原创研究成果或评论、综述，国际为在线发表一个月内的最新成果或综述，字数500字以上，并请提供至少一张图片。投稿者，请将文章发送至weixin@im.ac.cn。

大家好，今天小编给大家介绍的是关于粒子的知识。下面就跟着小编一起来看看吧！最初，人们知道的基本粒子只有四种，随着实验技术的提高，人们很快发现基本粒子不止几种、几十种，而是层出不穷，到目前已达三百种以上。早期发现的一些粒子是在研究核结构时，先由理论预言，而后为实验证实的。第一个是正电子。1928年狄拉克建立了相对论性电子波动方程，这方程自身给出电子具有半整数自旋和本征磁矩。但这个方程给出四个解，两个正能解描述已观察到的正能态的电子的两个自旋态。还有两个负能解与电子的负能态相应。按照相对论，可能存在正负两种能量值；而按量子论，就会发生正能电子不断落入负能状态的灾难，电子就不会像我们观察到的这样稳定。在当时，这称为“负能困难”。为了给负能态的存在以物理解释，狄拉克于1929年12月提出了“空穴理论”。他认为真空并非真的一无所有，而是一个充满负能态的电子海洋。这就是说，真空是一种负能态被填满而正能态全空着的状态。既然它的所有负能态全被电子填满了，按照泡利的不相容原理，正能态电子不可能再跃迁到负能态去，电子的稳定性问题也就得到了解决。当一个处于负能态的电子得到足够能量跃迁到正能态时，负能态的海洋中就留下一个“空穴"。就是说，正能态电子和“空穴”同时产生。而当一个处于正能态的电子落入“空穴”时，电子和空穴”就一道湮没，共同转化为光子。这“空穴”显示带正电的粒子的性质，电荷大小与电子的相等。由于当时人们所认识的带正电的粒子只有质子，狄拉克一度认为这种“空穴”就是质子。1931年，德国数学家兼物外耳和奥本海默分别指出，“空穴”的质量必须和电子相同，不可能是质子。狄拉克立即接受他们的批评，于1931年9月提出电子的负能态“空穴”应该是一种质量与电子相同的未知新粒子-“反电子”。同时他还指出，质子也有它自己的负能态，因此也会有反质子存在。1932年8月，美国物理学家安德孙利用云室拍摄宇宙线照片，找到了这种反电子，不过在当时他并不知道狄拉克的理论预言，而把它命名为“正电子”。在此之前，布莱克特曾观察到正电子的存在，但由于过于谨慎，未及时发表。约里奥-居里夫妇在1931年末就已观察到正电子的径迹，但是他们错把从源发出的正电子误认为流回源的电子了。193年，法国物理学家季保德和约里奥-居里夫妇等人分别观察到正负电子相遇共同湮没而产生光子，布莱克特、安德孙及约里奥-居里夫妇等人又都分别观察到y射线消失而产生电子、正电子对的情况。这些完全证实了狄拉克的"空穴”理论。更重里正电子的发现是大量基本粒子发现的开始，它不仅给基本粒子增加了一个新成员，一种基本的对称性。物质和反物质可以成对地同时产生，也可以成对地同时遥没。但是这种产生和遇灭井不是凭空产生和化为乌有，它只是表示不同物质存在形式之间的相互转化，这种相互转化是高能物理现象所具有的特征。1955年，美籍意大利物理学家塞格雷和他以前的学生美国物理学家钱伯林，利用高能加速器发现了反质子，随后又有人发现了反中子，1959年我国物理学家王捡昌等人发现了反西格玛负超于E。这些都为反物质的存在提供了证据。继正电子之后，理论上预言的第二个新粒子是中微子，它是由B衰变理论提出的。B衰变是原子核放出电子的一种变化。实验表明，这种电子的能量有大有小，形成连续分布，只是有一个上限。这完全不同于其他形式的衰变中所放出的粒子具有确定的能量。为了解释这种现象，玻尔等人认为，B衰变过程不遵守能量守恒定律。与此相反，泡利于1930年提出一个保全能量守恒定律的假说：B套变过程中，有一部分能量被一种用以往的仪器探测不到的新粒子带走了。这种粒子质量极小又不带电荷，但具有和电子相同的自旋。这样，能量和角动量守恒定律都能满足。这种粒子最初称为“中子”，以后费密把它改称为“中微子”。当时泡利大概估计他的这个想法不会被人认真对待，所以一直没有公开发表。1932年中子发现后，海森伯推测B褒变就是原子核内一个中子放出一个电子变为一个质子的过程。在泡利和海森伯假说的基础上，费密于1933年底提出了B衰变理论，认为衰变是中子转变为质子、电子和中微子的过程。同样，质子也能转变为中子、正电子和中微子，这就是发射正电子的B衰变。遗憾的是，当时英国著名的《自然》杂志拒绝刊登费密关于B衰变理论的论文，这表明泡利当初的估计不无道理。由于中徵子与物质的作用极弱，探测非常困难，因此，它是否存在，多年来曾是一个谜。在早期的探测中，只能用间接验证的方法。美国物理学家莱因斯和小柯恩等人利用大型反应堆，经过三年的努力，终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。理论上预言的第三个基本粒子是介子，它是在探讨核力性质时提出的。原子核一般很稳定，这表明核子之间结合得很紧。但中子不带电，而质子又互相排后，这种结合力究竟从何而来？而且，这种力只存在于核内，在核外部无作用。为了解释核力的这种特殊性质，海森伯于1932年提出“交换力”概念，认为中子同质子之间的核力是由于两者之间不断相互交换一个电子而引起的，就象两个原子通过不断相互交换电子而形成化学键一样。日本物理学家汤川秀树于1934年11月发展了海森伯的交换力思想，提出介子场理论。他把核力场同电磁场相类比。根据电磁场的量子理论，带电粒子之间的电磁作用是由于它们之间交换光子而引起，在这里，光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。好了，今天小编就给大家介绍到这里，如果你也有好的想法，不妨在下方评论区内给我留言吧！

图说：约翰·伊利奥普洛斯 采访对象供图（下同）当物理学家仰望星空时，他们的大脑可以感受世界的规律和混乱。百年来，理论物理学家和实验物理学家互相博弈、成就，他们组成了物理学的“两条腿”，交错、大步，迈向世界的探索，从宏观到微观，无限接近“世界究竟是什么样”的谜题解答。世界顶尖科学家论坛在沪召开之际，坐落在上海交通大学闵行校区的李政道图书馆今天也很热闹，一场超级大牛物理学家相聚的朋友圈“聚会”在此进行，提出GIM机制的“三剑客”到齐了，共同纪念这一弱相互作用基石模型发现50周年，讨论当前粒子物理研究的下一步突破。图说：1979年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿·李·格拉肖图说：鲁加诺·马亚尼（右一）物理学界真有“谢耳朵”上世纪60年代起，科学家们发现物质世界是由夸克和轻子这两种截然不同的基本粒子组成，夸克间和轻子间有着相互独立的对称性。可是物理学家在实验中观察到一种特殊而稀有的衰变，这暗示着或许存在新的对称性，而对具体机制，一时间理论家们众说纷纭。1969年，当时在哈佛大学的谢尔顿·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）、约翰·伊利奥普洛斯（John Iliopoulos）和鲁加诺·马亚尼（Luciano Maiani）在《物理评论D》发表一篇题为《弱相互作用中的轻子-强子对称性》的论文。他们在理论上提出了一种类似于上夸克的新的夸克（粲夸克），从而使夸克和轻子在弱相互作用有优美的对称性。而中性K0介子到双缪子的衰变之所以稀有，是因为上夸克和粲夸克的贡献由于对称性完美抵消。这个机制被后人以3位物理学家的名字首字母集合，称为GIM机制。有意思的是，谢尔顿·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）据称就是美剧《生活大爆炸》的主角谢耳朵——谢尔顿·李·库伯（Sheldon Lee Cooper）的原型。谢耳朵在剧中的人设也是一位理论物理学家，也获得了诺奖。理论物理与实验物理跨界协奏《生活大爆炸》中，谢耳朵的室友莱纳德是一位实验物理学家，据称原型来自1981年诺奖得主、美国物理学家阿瑟·伦纳德·肖洛（Arthur Leonard Schawlow）。理论物理学家和实验物理学家的友谊以特别的方式成就了剧情的出彩，而现实中，这两类物理学家也相互成就着科学的进步。GIM机制预言的粲夸克，于1973年在实验上被丁肇中和里克特（Richter）发现，两人也分享了1974年的诺奖。GIM机制和粲夸克的发现都是粒子物理标准模型建立过程中的重要里程碑。上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所兼职研究员刘江来说，上世纪60年代到70年代是物理学高速发展的黄金十年，谢尔顿等人的发现也是基于在实验中发现了“不寻常”，才创新了新的模型机制，又快速被实验物理学家验证，他们的工作为粒子物理快速发展奠定了基础。“尽管物理学起源于实验科学，但理论和实验研究一直紧密相关互相促进。”上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所粒子研究部副主任、兼职研究员何红建说，如牛顿、伽里略等早期的物理学大家都是实验物理与理论物理结合的，但随着人类认知和科学技术的发展，物理学也不断细分发展，“跨界”越来越难，但能够两者兼具的科学家一定非常伟大，例如高能物理泰斗、李政道的老师、1938年诺贝尔物理学奖得主费米。“应该看到，在我们身边也有优秀跨界者，领衔着PandaX实验的季向东教授就是一位理论物理学家，中国有这样的优秀物理学家产生，也是一种进步。”面对世界谜题，中国亦有机会解谜躺在草坪上，面对星空感受世界的规律和混乱，这浪漫的情景或许发生在很多科学家身上。但成功的关键，在于感受到规律和混乱之后，细致而严谨的计算、实验，敢于突破、经得起检验的合理创想。如今，谢尔顿·李·格拉肖是美国国家科学院院士、波士顿大学Metcalf数学与物理学教授；约翰·伊利奥普洛斯是法国国家科学院院士、巴黎高等师范学院教授；鲁加诺·马亚尼是意大利林琴科学院院士、罗马大学教授以及李政道研究所高级访问学者。“三剑客”今天在李所的分享很有默契。回顾往昔，50年前的突破正是基于发现海量数据中的“不寻常”，并且抓住疑问逐个突破。“Go and verify（去吧，证实它！）”谢尔顿说，当年发现异常衰变时，面对心中疑云，导师的这句话给了很大的激励。除了回忆往昔，“三剑客” 会同李所所长弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）教授等多位国内外知名学者在李政道研究所畅谈GIM机制下的粒子物理国际前沿研究动态。他们都在演讲的最后提出了多个粒子物理未解之疑，也寄语后生期待突破。“近十年，中国在世界最重要的科学问题上均有布局，我们在中微子、暗物质领域也有突破。还有很多未知需要解答，但这些大奥秘在全世界面前，我们也有好机会去解谜。”刘江来说。据了解，李政道研究所正是着眼于21世纪国际公认的最重要科学问题，将粒子与核物理、天文与天体物理、量子基础科学作为研究方向，明年竣工的张江实验楼将建设暗物质与中微子、实验室天体物理、拓扑超导量子计算三大实验平台。新民晚报记者 易蓉