世纪之交的中国粒子物理

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1、世纪之交的中国粒子物理一、二十世纪，物理学的世纪物理学在20世纪取得了巨大的进展，使人类对物质微观结构的认识实现了3次重大跨越：发现原子有内部结构，由原子核和电子组成，形成了原子物理学；发现原子核有内部结构，由质子和中子组成，形成了原子核物理学；发现核子有内部结构，由夸克组成，形成了粒子物理学。20世纪物理学3个最重大发现是：量子理论，相对论和DNA双螺旋结构。最后一项成果属于生命科学领域，但它是在传统的物理学实验室由物理学家发现的。因此，20世纪被当之无愧地称为物理学的世纪。20世纪物理学的研究成果转化成了许多新技术，产生了极其深远的影响。它们转化成为巨大的生产力

2、，例如，原子能、半导体、电视、计算机、激光、手机等等，为人类从工业社会发展到信息社会奠定了基础。同时物理学的研究成果还对社会和国际政治产生了深刻的影响，其中以核武器的影响最为深远。物理学的研究成果为其它学科的发展提供了先进的研究手段，例如材料科学、生命科学、化学、天文学等等，并产生了一系列交叉研究的新前沿学科：生物物理，天体物理、粒子天体物理、宇宙论等等。下面重点谈谈粒子物理在20世纪取得的主要成就。50年代起，随着物质微观结构研究前沿从原子核深入到基本粒子，粒子物理逐步形成物理学的一门独立的前沿学科。它研究物质微观结构的最小单元及其相互作用规律。早期粒子物理的研究

3、手段是宇宙线观测，以后逐步发展到以高能加速器和大型探测器等大科学装置为主要研究工具，并成为了一门典型的大科学——设备规模大，投资高，建设和研究周期长。高能物理加速器和大型探测器的建设、实验研究普遍采取了国际合作的方式。60年代Gel-Mann提出了夸克模型，对当时发现的200多个强子成功进行了分类，并认为这些强子是由2到3个带分数电荷的夸克组成的，揭示出物质结构又一个新层次。由Glashow，Weinberg和Salam提出的基于U(1)×SU(2)L×SU(3)的标准模型[1]，成功地将电磁相互作用和弱作用统一成为电弱作用，准确地预言了传递弱带电流的玻色子W±和传

4、递弱中性电流的玻色子Z。它对所有已知的基本粒子都正确地加以分类，并认为构成物质结构的最小单元是三代夸克(ud)(cs)和(tb)及三代轻子(νee)(νμμ)和(νττ)。标准模型的理论预言与迄今为止所有已知实验结果一致，精度达到10-5。标准模型使粒子物理学达到了当代成功的顶峰。近年来中微子物理的实验研究获得了重大的突破，发现中微子有质量，不同的中微子之间有振荡[2]，即由一种中微子转换为另一种中微子，物理学称之为中微子混合。精确测量中微子混合参数的实验研究成为国际粒子物理研究的热点。粒子物理在宇宙的起源和进化、天体的形成和演化的研究中起着重要的作用。研究微观的粒

5、子物理与研究宇观的天体物理和宇宙论的相互交叉、相互促进，并形成了新的交叉学科——粒子天体物理，成为了物理学的又一个发展前沿。5高能加速器和粒子物理实验还有力地推动了高技术的发展，包括高性能计算、网络、WWW网页、网格计算、超导技术等等。以先进加速器技术为基础的同步辐射、散裂中子源、自由电子激光等大型研究平台成为了多学科交叉研究的前沿研究手段。二、中国粒子物理实验研究的发展2.1北京正负电子对撞机及其成果北京正负电子对撞机(BEPC)由直线注入器、储存环、北京谱仪和北京同步辐射装置组成。BEPC于1984年10月动工，邓小平亲自为工程奠基。1988年10月BEPC如期

6、建成，不超预算，并在建成后迅速达到设计指标。10月24日党和国家领导人视察BEPC。邓小平发表了“中国必须在高科技领域占有一席之地”的著名讲话，深刻地论述了发展中国高能物理的重要意义。BEPC取得许多重要的物理成果，特别是在粲物理实验研究处于国际领先地位，在世界高能物理占领了一席之地。近年来BEPC的综合性能大幅度提高，日获取事例数增加了3—4倍，J/ψ和ψ＇事例总数比国际上此前的实验多一个数量级[3]。BEPC/BES的重大物理成果表明，τ粲能区仍然有十分丰富的物理问题有待回答，现已成为国际高能物理精确测量前沿的热点之一，竞争激烈。美国康奈尔大学的加速器CESR将

7、它的能量降到粲能区与BEPC竞争。这是为数不多的由我国的重大研究成果在国际基础研究产生的热点。近年来在这个能区有关发现多夸克态的报道使得这个能区物理的研究更加活跃。依托BEPC的北京同步辐射装置成为我国主要的广谱同步光源，是向社会开放的交叉前沿大型研究平台，每年全国有100多个用户单位进行300多项实验，获得了大批重要成果。2.2非加速器物理实验我国在宇宙线观测领域有较好的基础，取得了许多重要成果。1972年高能物理研究所在云南高山宇宙线云室观察到了可能的未知中性重粒子。后来在海拔5500米的甘巴拉山建立了大规模的乳胶室阵列。1990年在海拔4300米的西藏羊八