王贻芳院士：中国的粒子物理研究整体处于跟跑或并跑阶段，有影响的学界领袖太少
王贻芳，实验高能物理学家，中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。 现 任中国科学院高能物理研究所所长，中国科学院大学核科学与技术学院院长。 研究方向为高能物理实验。
千百年来，人类对物质结构的思考与探索一直引领着文明和科学的发展。
近代以来，人们逐渐认识到物质结构的层次有分子、原子、原子核、核子、夸克等，并在各层次分别发展出化学、原子物理、凝聚态物理、原子核物理、粒子物理等分支学科，构成了现代科学的庞大体系。
其中粒子物理（有时也称为高能物理）自20世纪50年代开始从原子核物理中独立出来，成为一门蓬勃发展、成绩辉煌的前沿学科，相关成果目前获得约1/3的诺贝尔物理学奖，引领着物质结构探索和研究的最前沿。
粒子物理的研究目标及方法、特点
粒子物理研究的目标是物质的最小组分及其相互作用规律。
自20世纪50-60年代开始，科学家们发现了大量新的实验现象，据此在20世纪60-70年代建立了一个基本的理论框架，以理解和解释实验数据，这就是粒子物理的标准模型，其主要预言在20世纪70-90年代得到验证。
在随后的三十多年，粒子物理标准模型的正确性得到确认，缺失的粒子及相关理论预言被逐个发现与验证，精度达到前所未有的千分之一左右。
标准模型成为人类历史上最成功、最漂亮的科学理论之一。
然而，正是在这30年里，人们从实验数据中认识到标准模型并不完备，标准模型只是一个在低能下（~1000倍质子质量以内）有效的近似理论，应该还存在一个更高能量、更深层次的物理世界。
例如，中微子质量的存在就是对标准模型现有理论的一个破坏；夸克和轻子之间的味对称预示着还有一个更深层次的结构；真空在标准模型中不稳定；暗物质粒子在标准模型中不存在；虽然希格斯粒子赋予所有粒子质量，但其自身质量来源未知，且其质量非同寻常得小；各种对称性破缺的来源未知，幅度大小也不能解释宇宙中“反物质消失”之谜，等。
人们试图建立一个更宏大的理论，统一描述各种相互作用，就像麦克斯韦统一描述了电和磁相互作用、标准模型统一描述了电磁和弱相互作用一样。
如超对称理论试图包括弱电和强相互作用，超弦理论试图再将引力相互作用也包括进来。
还有学者建立了复合模型描述夸克和轻子的结构，就像夸克模型描述核子结构一样。
由于缺乏实验数据的明确指引和验证，目前这些理论模型要么失败了，要么还无法得到确认。
显然，我们需要像20世纪50-60年代一样，去寻找新的实验现象，指引下一步理论上的努力。
科学家们认识到，实验上解决这些问题首先需要理解希格斯粒子及其质量；其次需要寻找超对称粒子及其效应，研究中微子性质及其与标准模型的关系；再次，需要找到暗物质粒子。
自然，跟其他学科一样，还有许多相对次要的问题需要解决，如精确测量标准模型的所有参数，通过各种方式直接或间接地检验标准模型；精确检验量子色动力学并发现其预言的各种粒子，完整理解强子谱，定量理解并计算核子结构及其质量；等。
这些研究需要依赖科学家们自行设计研制的大型设备，主要分探测器和加速器两大类。
其中探测器就像人的眼睛，帮助观察和测量物理过程。
加速器就像显微镜，用基本粒子如电子和质子代替光学显微镜中的光子或电子显微镜中的电子，来探究和观察样本（粒子）的内部结构。
对撞机是效率最高、能力最强的一种加速器，能将全部能量用来“击碎粒子的外壳”，让我们看到内部结构。
自20世纪60年代发明以来，对撞机贡献了高能物理实验的主要成果，目前及未来仍然是主要的研究手段。
早年，各国科学家都自行研制自己的加速器，美苏欧日等都各有多台性能、目标不同的大型高能物理加速器，其水平和能力基本代表了各国在国际高能物理领域甚至整个科学界的竞争地位。
随着科学目标的不断集中，加速器的能量和造价不断提高，基本上一个国家只能有一台高能加速器，甚至需要几个国家联合起来建造。
这一方面可以集中经费，减少重复投资，提高设备的性能和效益；另一方面也凸显规划的重要性。
如果选择错误或者研制失败，整个领域都会受到重创。这种惨痛教训过去有过，尤其以美国为甚。
高能物理的这种集中全领域多年的经费建造一台大家共用设备（加速器）的方式，一方面引领了科学研究更加依赖大型设备的发展趋势，提高了设备和经费的使用效益，另一方面也使它成为众矢之的，经常被误认为会挤占其他领域经费。
事实上，无论是考虑多年总和还是年人均投资强度，高能物理的经费均未超过其他类似的二级学科，且其对人类社会发展的贡献以科学成就、公共实验平台（同步辐射、自由电子激光、散裂中子源等）和互联网经济为代表，远超迄今为止对它的全部投入。
粒子物理研究一方面是科学的最前沿，另一方面也是技术的最前沿，其国际地位和能力在一定程度上代表着国家的科技发展水平。
有能力提出粒子物理领域的科学问题并提出解决思路与方案，自行设计并研制相关大型设备，开拓新的技术路线，是成为粒子物理领域国际领先国家的标志，也是中国的粒子物理学界过去70年的努力目标。
中国粒子物理的基础、成就与差距
新中国的粒子物理研究基本与国际同时起步，20世纪50年代参加了苏联的杜布纳联合核子研究所，与欧洲核子中心形成一定程度的竞争。
20世纪60年代初因为政治原因退出后，中国政府曾允诺将原来每年3000万的会员费拿出来建一台自己的高能加速器。
这之后经历了政治动荡、方案摇摆、经济和技术困难、领域发展情况变化、反对意见纷争等各种波折之后，直到20世纪80年代初，才由邓小平同志在意见纷呈中拍板定下了总投资2.4亿人民币的北京正负电子对撞机、北京谱仪及北京同步辐射装置（BEPC）。
中国首台高能加速器装置在2~5 GeV（约2~5倍质子质量）的能量范围内超过美国SLAC国家加速器实验室的SPEAR加速器（其20世纪70年代的成果曾获得2个诺贝尔奖）关键技术指标一个量级，迫使其停止运行，科学家们转到中国参加北京谱仪实验。
2009年，BEPC完成了一次重大设备改造，总投资6.4亿，技术指标继续保持国际领先。
这台先后共投资8.8亿人民币的设备还将运行10年，科学寿命达40多年。
迄今为止获得5项国家自然科学二等奖，在国际顶级刊物发表300多篇文章，成为国际高能物理和加速器技术的重要基地。
BEPC培育拉动了近百家国内厂商的技术水平，设备国产化率达80%以上，中国科学院高能物理研究所的这支队伍也是建设上海光源、中国散裂中子源、北京高能同步辐射光源、大亚湾和江门中微子实验（JUNO）等国内大科学旗舰装置的骨干力量。
这段历史和成绩在很大程度上展示了中国高能物理发展的艰辛和高能物理投资的特点与效益。
事实上，国内其他领域设备投资上亿的有不少，设备能有几十年寿命的大概不多，而BEPC基本上是2010年前整个中国对高能物理的主要投资。
自20世纪50年代开始，中国科学家利用国内优势，开辟了另一条低成本的研究路线：高海拔宇宙线研究。
从云南、西藏到四川，研究宇宙线的能谱、成分、起源和加速机制，研究伽马射线天文，寻找暗物质粒子，逐渐形成了自己的方向与特色。
20世纪90年代，在西藏羊八井，中日合作建设了ASγ实验，中意合作建设了ARGO实验，取得许多重要成果。
21世纪以来，中国科学院高能物理研究所的科学家提出了一个具有独特思路的方案——大型高海拔大气簇射观测站（LHAASO）。
经过10年左右的设计、预研和5年的建设，世界领先的LHAASO实验即将在四川稻城完成，成为该领域的旗舰装置。
由于其超高的灵敏度和优秀的建造质量，部分探测器运行半年之后，就在伽马天文方面获得重要成果，表明其巨大的科学发现潜力。
未来，中国在宇宙线和伽马天文领域的国际领先指日可待。
新世纪开始，中国的粒子物理研究在过去的基础与积累上开始加速，新的研究方向开始出现。
大亚湾中微子实验利用大亚湾核反应堆功率高、附近有山的独特优势，以创新性的独特方案、世界最高的精度寻找中微子振荡（θ13），吸引了上百位国际合作者参加。
在各方面的努力和支持下，经过8年的方案准备、技术预研和探测器研制，2011年底正式运行取数。
3个月后，就发现了一种新的中微子振荡，精确测得其振幅sin22θ13，获得大量国际赞誉和奖项。
大亚湾实验成为中国高能物理成绩和进步的标志之一。
在此基础上，中国科学院高能物理研究所的科学家们延续反应堆中微子的研究路线，依据在大亚湾实验基础上发展出来的液体闪烁体技术，提出了江门中微子实验，目标是研究中微子其他的未知性质，也通过太阳、地球、超新星中微子研究天体物理。
江门中微子实验吸引了300多位国际合作者参加，2008年提出方案，2015年开始建设，计划2022年建成，设计科学寿命30年。
这是国际上基于大亚湾实验成果启动的3个大型中微子实验之一，是我们在最重大的核心科学问题上，再一次开展的激烈国际竞争。
大亚湾实验的成功，给了我们信心和经验，相信江门中微子实验也不会令人失望。
暗物质粒子寻找是目前国际粒子物理研究的热点之一，全世界有几十个实验在设计策划、运行中，或已经完成。
中国科学家在四川设计建造了世界最深的锦屏地下实验室，具有建造最灵敏的暗物质实验的潜力。上海交通大学的PandaX和清华大学的CEDX实验均完成了其首期实验，具有很大的国际影响。
这些国内项目也吸引了国际参与并满足了以下条件：一是科学意义足够重大；二是有自己的创新方案并掌握相关技术；三是有足够的经费支持和相关队伍。
为减轻经费压力，分散科学和技术风险，增加研究人员的受益面和研究方向与课题的覆盖面，确保不缺席任何重大突破与成果，以相对较少的经费参与国外项目，争取在其中起重要甚至主导作用是世界各国的通常做法。
因此，国际合作在高能物理研究中一直居于核心地位。
自20世纪70年代末，中国科学家就开始积极参与国际上的各种实验。
早期主要是派人学习，并尽可能地参与探测器的批量制造和物理数据分析，如1970-1980年德国DESY的Mark-J实验，1980-1990年欧洲核子中心的L3、ALEPH实验，1990-2000年日本和美国的B-工厂实验，1990-2020年欧洲核子中心的AMS、ATLAS、CMS、LHCb实验等。
虽然我们努力参与这些实验，也对重要实验的物理成果有贡献，但与国际上主要国家的国际参与度相比，我们参与的实验较少，投资份额较低，地位不够重要，与大国地位不太相符，影响了中国形象，也影响了吸引国际合作者参与我们国内实验的成效。
总之，中国的高能物理研究从20世纪80年代起步，经过40多年的努力，完成了北京正负电子对撞机、大亚湾中微子振荡、锦屏暗物质寻找、羊八井宇宙线观测等一系列国际著名实验，LHAASO和江门中微子实验建成后将使中国在宇宙线和中微子研究方面领先国际，实现了邓小平同志要求的“在世界高科技领域占有一席之地”的目标。
但是也应该看到，中国现在也只是“一席之地”而已，中国的粒子物理研究整体还处于跟跑或并跑阶段，特别是高能物理的核心研究方向——高能量前沿与国际领先水平差距较大。
由于历史原因，我们对标准模型的建立没有实质性贡献，几十项诺贝尔奖与中国无缘。
在加速器和探测器等核心技术方面少有实质性的原创贡献，技术输出很少。
中国的科学家在国际上还没有获得重大影响力，尚未通过竞争获得国际大型实验与项目的主要领导位置，有影响的学界领袖太少，各种大小国际奖项获得较少。
面对未来，如何采取更大胆有效的步骤，制定十四五和2035年远景规划，努力在整体上赶超国际先进水平，是我们面临的核心问题。
本文节选自《科技导报》2021年第3期，原文标题为《探究物质最深层次的物理规律：中国粒子物理发展规划的思考》，欢迎订阅查看。
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