高能物理學(high energy physics)又稱粒子物理學或基本粒子物理學，它是物理學的一個分支學科，研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構性質，和在很高的能量下，這些物質相互轉化的現象，以及產生這些現象的原因和規律。它是一門基礎學科，是當代物理學發展的前沿之一，並且交叉廣聯在凝聚態物理和天體粒子物理的有效探索。粒子物理學是以‘發現和’實驗‘’為基礎，而又基於實驗和理論密切結合發展的粒子的量子化探索。當今在‘高能粒子物理’的前沿，是以發現‘新粒子+新物理’的新科技時代，基礎新粒子必會帶動新材料的科學發展，新粒子高能粒子物理探索在‘超對稱粒子’‘正負正反同體一體的馬約拉納費米子’‘新粒子耦合的激發態’‘新粒子的衍射’‘新粒子的晶格信息傳導’‘惰性中微子粒子’‘軸子粒子’‘磁單極粒子’等的新的粒子物理科學。
基本介紹
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發展歷史與新粒子的產出。
原子概念
原子論是元素派學說中最簡明、最具科學性的一種理論形態。英國自然科學史家丹皮爾認為,原子論在科學上“要比它以前或以後的任何學說都更接近於現代觀點”。原子論的創始人是愛利亞人(一說阿布德拉人)留基伯,他是德謨克利特的老師。古代學者在論及原子論時,通常是把他們倆人的學說混在一起的。由於留基波生平不詳,且其學說也為德謨克利特發展和完善,因此德謨克利特被公認為原子論的主要代表。
德謨克利特認為,萬物的本原或根本元素是“原子”和“虛空”。“原子”在希臘文中是“不可分”的意思。德謨克利特用這一概念來指稱構成具體事物的最基本的物質微粒。原子的根本特性是“充滿和堅實”,即原子內部沒有空隙,是堅固的、不可入的,因而是不可分的。德謨克利特認為,原子是永恆的、不生不滅的;原子在數量上是無限的;原子處在不斷的運動狀態中,它的惟一的運動形式是“振動”;原子的體積微小,是眼睛看不見的,即不能為感官所知覺,只能通過理性才能認識。
近代發展
1897年，英國科學家湯姆遜在實驗中發現了電子，1911年歐內斯特·盧瑟福由α粒子大角度彈性散射實驗，又證實了帶正電的原子核的存在。這樣，就從實驗上證明了原子的存在，以及原子是由電子和原子核構成的理論。
就在這個時候開始形成了現代的基本粒子概念。1905年，愛因斯坦提出電磁場的基本結構單元是光子，1922年被康普頓等人的實驗所證實，因而光子被認為是一種“基本粒子”。1931年，泡利又從理論上假設存在一種沒有靜止質量的粒子——中微子(嚴格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由萊因斯和科恩在實驗上證實的)。
從此以後人類認識到的基本粒子的數目越來越多。就在1947年，羅徹斯特和巴特勒在宇宙線實驗中發現v粒子(即K介子)，這就是後來被稱為奇異粒子的一系列新粒子發現的開始。由於它們獨特的性質，一種新的量子數——奇異數的概念被引進到粒子物理中。在這些奇異粒子中，有質量比質子輕的奇異介子，有質量比質子重的各種超子。在地球上的通常條件下，它們並不存在，在當時的情況下，只有藉助從太空飛來的高能量宇宙線才能產生。
這些發現了的基本粒子，加上理論上預言其存在，但尚未得到實驗證實的引力場量子——引力子，按相互作用的性質，可分成引力子、光子、輕子和強子四類。為了克服宇宙線流太弱這個限制，從50年代初開始建造能量越來越高、流強越來越大的粒子加速器。實驗上也相繼出現了新的強有力的探測手段，如大型氣泡室、火花室、多絲正比室等，開始了新粒子的大發現時期。
到了60年代頭幾年，實驗上觀察到的基本粒子的數目已經增加到比當年元素周期表出現時發現的化學元素的數目還要多，而且發現的勢頭也越來越強。1961年，由蓋耳-曼及奈曼類比化學元素周期表提出了，用強相互作用的對稱性來對強子進行分類的八重法分類不但給出了當時已經發現的強子在其中的位置，還準確地預言了一些新的粒子，如1964年用氣泡室實驗發現的Ω粒子。八重法很好地說明粒子的自旋、宇稱、電荷、奇異數以及質量等靜態性質的規律性。
在此階段中，證實了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一個帶電的反超子是由中國的王淦昌等在1959年發現的。此外，還發現了為數眾多的壽命極短經強作用衰變的粒子——共振態。
基本粒子大量發現，使人們懷疑這些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面臨一個突變。
20世紀40年代到60年代，對微觀世界理性認識的最大進展是量子力學的建立。經過一代物理學家的努力，量子力學能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收及輻射等等現象，特別是當它同狹義相對論結合而建立相對論性量子力學以後，它已經成為微觀世界在原子、分子層次上的一個基本理論。
1961年，在實驗上發現了不少共振態。1964年，已發現的基本粒子(包括共振態)的種類增加到上百種，因而使得蓋耳-曼和茲韋克提出，產生對稱性的基礎就是構成所有強子的構造單元，它們一共有三種，並命名為夸克。
20世紀60年代以來，在宇宙線中、加速器上以及在岩石中，都進行了對夸克的實驗找尋，但迄今還沒有被確證為成功的報導。在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。雖然在這些加速器上沒有找到夸克。但卻得到了間接的，但是更有力地說明夸克存在的證據。
與強子的數目急劇增加的情況相反，自從1962年利用大型火花室，在實驗上證實了兩類中微子之後，長時間內已知的輕子就只有四種，但是到了1975年情況有了改變，這一年佩爾等在正負電子對撞實驗中發現了一個新的輕子，它帶正電或帶負電，達質子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應，普遍相信應有另一種中微子存在，但是尚未得到實驗上的證實。
夸克理論提出不久，就有人認識到強子的強相互作用和弱相互作用的研究應建立在夸克的基礎上，同時還要充分考慮強子的結構特性和各種過程中的運動學特點，才能正確地解釋強子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動態性質。1965年，中國發展的強子結構的層子模型，就是這個方向的首批研究之一。層子的命名，是為了強調物質結構的無限層次而作出的。在比強子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來，粒子物理實驗和理論發展的主流，一直沿著這個方向，在弱作用方面，已有了突破性的進展，在強作用方面，也有重大的進展。
最早的弱相互作用理論，是費密為了解釋中子衰變現象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恆的發現，給弱作用理論的研究帶來很大的動力。隨後不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應當具有的形式，而且適用於所有的弱作用過程，被稱為普適費密型弱相互作用理論。
1961年，格拉肖提出電磁相互作用和弱相互作用的統一理論。這個理論的基礎，是楊振寧和密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規範場論。但是在這個理論里，這些粒子是否具有靜止質量、理論上如何重正化等問題，沒有得到解答。
1967～1968年，溫伯格、薩拉姆闡明了作為規範場粒子是可以有靜止質量的，還算出這些靜止質量同弱作用耦合常數以及電磁作用耦合常數的關係。這個理論中很重要的一點是預言弱中性流的存在，而當時實驗上並沒有觀察到弱中性流的現象。由於沒有實驗的支持，所以當時這個模型並末引起人們的重視。
1973年，美國費密實驗室和歐洲核子中心在實驗上相繼發現了弱中性流，之後，人們才開始對此模型重視起來。在1983年，魯比亞實驗組等在高能質子—反質子對撞的實驗中發現的特性同理論上期待的完全相符規範粒子，這給予電弱統一理論以極大的支持，從而使它有可能成為弱相互作用的基本理論。
發展現況探索新粒子新物理
粒子物理已經深入到比強子更深一層次的物質的性質的研究。更高能量加速器的建造，無疑將為粒子物理實驗研究提供更有力的手段，有利於產生更多的新粒子，以弄清夸克的種類和輕子的種類，它們的性質，以及它們的可能的內部結構。
探索自然界的微觀粒子的巨觀效應存在，自然界‘新粒子+新物理粒子’已經產出，當今正是新物理儀器應有的新探索新時代，誰先探索新粒子新物理就會擁有‘未來’新材料的新套用的科學。
把電磁作用、弱作用和強作用統一起來的大統一理論，近年來引起相當大的注意。但即使在最簡單的模型中，也包含近20個無量綱的參數。這表明這種理論還包含著大量的現象性的成分，只是一個十分初步的嘗試。它還要走相當長的一段路，才能成為一個有效的理論。
另外從發展趨勢來看，粒子物理學的進展肯定會在宇宙演化的研究中起推進作用，這個方面的研究也將會是一個十分話躍的領域。
很重要的是；物理學是一門以實驗為基礎的科學，實驗物理與理論物理並存，粒子物理學也不例外，粒子物理也體現為粒子量子的哲學語言。因此，新的粒子加速原理和新的探測手段的出觀，將是意義深遠的。並自然界自存在的正負電子對撞機制，為發現新的物理粒子”新粒子“開創新的高能物理探索。體現為交叉的科學學科套用。
涉及實驗物理，理論物理，粒子天體物理，計算物理，加速器，
發展方向
按照理論的相似性進行分類如下：
可積量子場論；
統計格點模型；
中微子物理；
對撞和探測（BEPC，BES）結果的研究與測量；
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