未来10年世界可能发生的22个重大科技事件

22 Major potential scientific and technological events of the world in 10 years

        现代物理学有两大理论：广义相对论和标准模型。广义相对论用来解释空间、时间和引力的问题，标准模型是描述强力、弱力及电磁力这3 种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。标准模型根据自旋将粒子分为费米子（包括夸克与轻子）和玻色子（包括胶子、光子、W粒子、Z粒子、希格斯粒子）两大类，根据标准模型的预言，这两大类粒子共有61 个_[1]。除了希格斯粒子外，其他粒子均已得到实验数据的支持和验证。希格斯粒子是标准模型中最后一种待被发现的粒子，自旋为零，具有质量，不带电荷，非常不稳定。希格斯粒子是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，意味着整个标准模型将失效。此外，希格斯粒子被认为是基本粒子的质量来源，如果希格斯粒子存在，就能很好地解释一些基本粒子具有质量而另一些没有的问题。

        希格斯粒子的特点决定了搜寻它难度极大：质量大，衰变快。质量大意味着制造希格斯粒子需要极大的碰撞能量，因此必须建造造价高昂的超级粒子加速器来提供这样大的能量。然而，即使碰撞产生了希格斯粒子，它也会在十亿分之一秒的时间内衰变为其他粒子，从而难以检测到。因此，物理学家使用非常高精度的探测器来进行光电信号的收集，通过一系列复杂的运算，从海量的数据和探测轨迹中筛除大量的普通粒子信号，挖掘出由希格斯粒子衰变而来的粒子信息，从而推导出希格斯粒子是否存在。

        希格斯粒子是彼得.希格斯于1964 年_[2]提出，并于1966 年推导出希格斯粒子的衰变机制_[3]。20世纪80 年代早期，欧洲核子研究中心（CERN）发现W和Z玻色子，证实了理论预期，拉开了实验寻找希格斯粒子的序幕。一开始，物理学家们不知道希格斯粒子的质量，经过大量的实验，希格斯粒子的质量范围被大大缩小。80 年代中期，CERN建造了长达27km 的大型正负电子（LEP）对撞机环，希望能获得质量略高于100 GeV 的希格斯粒子。随后，美国物理学家提出要求建造极为昂贵的超导超级对撞机（SSC），希望能产生

        质量高达1 TeV 的希格斯粒子（希格斯粒子理论上能达到的最大质量），然而美国国会在1993 年停止了该项目，当年的预算超过100 亿美元_[4]。1995 年，费米实验室发现质量接近174 GeV 的顶夸克，根据标准模型，这意味着希格斯粒子的质量应低于200GeV。90 年代末，LEP对撞机的能量已超出了其设计值200 GeV，但物理学家们在4 大探测器中仍未发现任何表明希格斯粒子出现的证据，此时希格斯粒子质量下限已提高至近108 GeV。2000 年，LEP 对撞机上的ALEPH实验发现115 GeV 处存在新粒子的迹象，但综合LEP上的另外3 个实验后则无显著信号。随后LEP对撞机关闭，进行长达10年的大型强子对撞机（LHC）建设。LEP对撞机关闭后，美国费米实验室一枝独秀。然而，由于费米实验室Tevatron 加速器的能量和亮度不够，直至2011 年9 月Tevatron 加速器永久关闭时，费米实验室除了排除了156 GeV 和177 GeV 这个区间的质量_[5]外，几乎没有新的重大的发现。2010 年LHC开始记录数据。LHC实验中，探索希格斯粒子的实验包括超环面仪器（ATLAS）和紧凑μ子线圈（CMS）2 个实验。2011 年，通过数次实验，将希格斯粒子的质量范围缩小到115—130 GeV_[6]。2012 年7月，CERN宣布，ATLAS和CMS发现质量为125—126 GeV_[7,8]的新玻色子，置信度为5 个标准差（即99.99994%的置信度，新粒子发现的判据），CERN将该粒子称为“类似希格斯粒子”。2013 年3 月，ATLAS和CMS在分析了更多的数据后，宣布该粒子“看起来越来越像希格斯粒子”_[9]。尽管如此，要确定希格斯粒子的存在，还需更多的数据。目前，LHC 处于关闭升级期，2015 年升级完毕后，其能量将增加1倍，能产生更多的碰撞和数据，将有助于确认和进一步了解希格斯粒子。

        在国家科技部、自然科学基金委和中科院的共同资助下，我国科学家自1999 年起就开始参与ATLAS 和CMS 国际合作。参与ATLAS 实验的机构包括：中科院高能物理所、中国科技大学、南京大学、山东大学和上海交通大学。参与CMS实验的机构有：中科院高能物理所、北京大学和中科院上海硅酸盐所。

        在发现“类似希格斯粒子”的工作中，我国科学家做出了重大贡献。在ATLAS实验中，液氩光子电子量能器、精密μ子漂移室探测器、谱仪触发系统电子学检测、网格计算系统等包含了南京大学、中科院高能所、中国科技大学等单位的科学家完成的重要器件，山东大学建造了400 台ATLAS 端盖μ触发探测器。在ATLAS实验的希格斯玻色子的物理分析结果方面，我国科学家在光子触发效率研究，测量双光子希格斯玻色子重建本底噪音，四轻子衰变H→ZZ*→41 研究中的数据生产、信号事例筛选与基于数据的Z+jet 本底分析，通过H→γγ发现希格斯粒子的矢量玻色子融合产生过程，H→Zγ分析等方面做出了重要贡献_[10]。

        在CMS 实验中，我国科学家也做出了重要贡献。CMS 实验1/3 的端盖缪子探测器和端盖电磁能量器的所有晶体，均由我国科学家研制提供。特别是实验中用多变量分析方法区分信号与本底、提高希格斯粒子寻找的灵敏度方面，采用了CMS中国组的方法，灵敏度提高了3%。