理解物质的本源，美妙神奇的基本粒子｜王贻芳( 二 ) 文章转载自“格致论道讲坛”

大家看到第1代、第2代、第3代，自然会问有没有第4代。 1989年到1990年，在欧洲核子中心大型电子正负电子对撞机和美国SLAC直线对撞机上，我们发现整个粒子物理的世界只有这3代，没有第4代。这件事情很奇怪，但也让基本粒子的世界变得非常简单。也就是说12种基本粒子构成了整个物质世界，它比我们的元素周期表更加清晰、简单。但它的周期性、对称性应该说更加复杂。
除了“砖块” ，我们还需要有“水泥” 。就像我们盖房子一样，除了有砖之外，我们还得把这些砖黏起来。描述这些“砖块”之间相互作用的，我们叫做相互作用的粒子。相互作用的粒子有几大类，一类是光子，它传递电磁相互作用。大家中学里学过的麦克斯韦方程就描述了电磁相互作用，那么它传递相互作用的粒子就是光子。
另外一类是弱相互作用，经常在原子核的衰变当中看见，传递这种相互作用的粒子叫做W和Z粒子。后来发现，电磁相互作用和弱相互作用可以用同一个方程式描述，我们把它叫做电弱统一理论。与电弱统一理论相关的几位科学家获得了多个诺贝尔奖。还有一类相互作用的粒子叫胶子，描述强相互作用，我们把这个理论本身叫做量子色动力学。
大家可以看到，我们有了“砖块” ，又有了“水泥” 。有很多非常重要的物理学家在建立这个理论体系的过程中做出了极其卓越的贡献，大约有十几近二十个诺贝尔奖颁发给了他们。
还有最后一个粒子，我们叫它希格斯（Higgs）粒子，它给了所有粒子质量。我们需要这个粒子，因为描述相互作用的规范场理论要求粒子都是没有质量的，事实上这些粒子又是有质量的——我们在实验中发现粒子有质量。因此就需要有一个所谓的希格斯机制，后天地赋予这些规范场粒子和费米子质量，这样整个理论本身就变得非常完备。事实上，我们真的在2012年发现了希格斯粒子。
因此整个标准模型有三大类，一类是所谓的“砖块”——12种费米子；另外一类是传递相互作用的粒子，玻色子；最后一类就是质量起源的粒子，希格斯粒子。这三大类构成了我们整个粒子物理的标准模型。
中国粒子物理的起步
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应该说粒子物理标准模型是人类文明发展史上的一个丰碑。到目前为止，定量地来说，大概还没有比它更加成功的理论。所有理论的预言和实验相比较，其差别小于千分之一，个别地方到了万分之一的精度。也就是说，目前我们还没有看到有违反这一理论的任何定量的迹象。
但非常可惜，所有这些重大发现，包括大约二三十个诺贝尔奖都跟中国人没有太大关系。这也是为什么80年代，小平同志决定要建设北京正负电子对撞机。

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▲北京正负电子对撞机
我们要追赶国际高能物理的发展步伐，希望通过建设这样一个大型装置带动国际合作，推动中国70年代末80年代初的改革开放。另外一个目的是打破国际对中国的各种禁运，对各种设备、技术的封锁。
北京正负电子对撞机1984年开工建设， 1988年完成对撞；在2004年做了一次重大改造， 2009年完成。北京正负电子对撞机建设完成之后， 1988年小平同志亲临高能所，对我们发表了一个非常重要的讲话：中国必须在世界高科技领域占有一席之地。

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应该说，经过30多年的努力，我们确实实现了这样的目标。在粲物理领域，中国在国际上有非常好的领先地位，比如我们发现了一种4夸克态的粒子，它在2013年被列为国际物理学11项重要成果之首。