基本介紹
- 中文名：粒子物理學
- 外文名：particle physics
- 其他名稱：高能物理學，能荷物理學
- 地位：粒子量子化的粒子物理的大統一
簡介,亞原子粒子,歷史,標準模型理論,實驗粒子物理學,理論粒子物理學,還原論,公共政策,展望,參見,
簡介
粒子物理學是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學分支。由於許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們，因此粒子物理學也被稱為高能物理學。
亞原子粒子
現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。這些粒子的結構比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和μ子，以及許多其它奇特的粒子。
嚴格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態矢量來描寫它們，詳細的理論基礎為量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為“粒子”，雖然這些粒子也具有波的特性。
今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含37種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。從1960年代以來實驗物理學家已經發現和觀察到了上百種複合粒子了。標準模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數據相符合。雖然如此大多數粒子物理學家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發現。最近發現的中微子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。
歷史
前6世紀古希臘的哲學家就提出物質是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是“原子論”的代表人物。17世紀時艾薩克·牛頓也有過物質是由粒子組成的想法。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質是由原子組成的理論。
1869年季米特里·門捷列夫發表的元素周期表加深了原子論的構想。約瑟夫·湯姆孫發現了原子中存在帶有負電荷、質量非常小的電子，認為原子是由質子和被束縛的電子組成的。歐內斯特·盧瑟福證明質子集中在非常緊密的原子核中。1932年英國物理學家查德威克發現了中子，至此，人們認識到原子核是由質子和中子組成的，電子在原子核外運動。
標準模型理論
實驗粒子物理學
大的實驗粒子物理學國際合作有：
- 大型正負電子對撞機（2001年停用，現已拆除）
SLAC國家加速器實驗室：位於美國帕洛阿圖附近，其主要設備是PEP-II，用來碰撞電子和正電子。
費米國立加速器實驗室：位於美國芝加哥附近，其主要設備是太伏質子加速器（Tevatron），碰撞質子與反質子。
超級神岡探測器: 1998年，超級神岡探測器的領導者、日本科學家小柴昌俊發表了測量結果，給出中微子振盪的首個確切證據，認為中微子在三種不同“味”之間是可以相互轉換的，這也表明中微子是有質量的，而不是粒子物理標準模型中預言的零質量粒子。2002年，超級神岡探測器證實反應堆中產生的中微子發生了振盪。這個探測結果在中微子天文學和粒子物理學中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得2002年的諾貝爾物理學獎。
理論粒子物理學
理論粒子物理學試圖描述自然界的一切相互作用，研究能解釋今天實驗結果並能預言未來實驗結果的模型、理論構架和數學工具。今天在這方面有許多不同的努力。
一個重要的工作點是更好地理解標準模型理論和其實驗結果，從試驗中獲得更精確的參數，這個工作點測試標準模型理論的極限來擴大我們對自然的理解。這個工作最大的困難在於量子色動力學中對多個物體計算時的困難。一些理論家將他們的精力集中在有效場論。
此外還有一些其它的理論工作如循環量子引力理論等。
還原論
還原論是將世界上的事物的解釋簡化到一些基礎的理論的哲學觀點。在粒子物理學這個觀點是提出一個可以解釋世界上的一切的一種最基礎的物理理論，或者用一個比較大眾化的語言來說，來尋找一個概括宇宙一切的公式。
公共政策
粒子物理學的實驗結果需要使用巨大的粒子加速器才能取得。這些加速器非常昂貴（往往需要上十億美元）因此需要大量政府資助。因此粒子物理學的研究也關係到公共政策的決定。
許多人認為花這么多的錢不值得，而且粒子物理學消耗了許多可以用到更重要的研究和教育方面的錢。20世紀80年代，在美國德克薩斯州開始建造一台超級超導對撞機，這是個宏偉的計畫，費用高達80億美元，美國國會為此花掉了20億美元，在建成一條22公里的隧道後取消了這項工程。許多科學家（包括超導超大型加速器的支持者和反對者）相信這個決定的原因之一是因為冷戰結束後美國沒有必要花這么多錢在這方面與蘇聯競爭了。
此外許多反對者懷疑單一國家是否還有能力運行如此昂貴的對撞機。
一些科學界的人士相信人口的老年化對粒子物理學不利，因為他們認為老年人更加關心眼前的事比如他們的健康和他們的父母的健康，因此對科學的資助從物理學逐漸轉移到生物學和健康科學上去了。
粒子物理學的支持者認為為最基本的理論值得花這么多錢，這些錢對科學的其它方面也有好處。例如加速器與其副產品同步輻射在生物與醫學上的套用，以及最早由CERN研究員所創立的全球資訊網。他們指出今天所有的加速器都是國際合作建立和運行的，他們懷疑取消製造加速器所節省下來的預算仍會使用在其它科學和教育的方面上。
展望
世界各地的粒子物理學家對粒子物理學近期和中期最重要的目標的見解是一致的。近期的目標是於2007年完成大型強子對撞機並用它來尋找希格斯玻色子和超對稱粒子。中期的目標是建造國際直線對撞機（International_Linear_Collider, ILC）。這個對撞機的技術實現方法已於2004年8月決定，但其地址還沒有決定。國際直線對撞機與大型強子對撞機是互相補充的實驗設備，大型強子對撞機更適合用來尋找新的粒子，而國際直線對撞機則更適合用來精確地測量這些粒子的特性。
