人类对物质微观结构研究的历史及现状。微观层次结构逐层深入，每个微观结构层次下面为研究相应微观层次结构的物理学和物理模型。

微观世界到底有多小？

欧洲核子研究中心(CERN)大型正负电子对撞机上的正负电子散射实验证实， 在10-17厘米（十万万亿分之一厘米）尺度上没有发现电子有内部结构， 即电子仍然可看做点粒子。 德国的e-p 对撞机 (HERA) 高能电子探针已经可以探测质子深达10-18厘米（百万万亿分之一厘米），仍然没有探到微观世界的“底”（没有探到比夸克更深一个层次的物质，如亚夸克或Preon之类的东西）。人类从原子→原子核→“基本粒子”→夸克→  …… 微观结构不断深入的探测中发现， 物质是无限可分的。但是，每深入一个层次，物质的形态并非重复“原子的太阳系结构”，而是有新的特点。例如，由强相互作用结合在一起的质子和中子构成的原子核更像一锅粥，而不像原子中电子和原子核的“松散”结构。“基本粒子”如质子和中子等强子的夸克胶子结构是另一种新的形态：夸克由于禁闭机制而永远不能被打出来而成为自由运动的粒子。 这使得强子的内部结构更加新奇，才会在高能重离子碰撞中(RHIC)产生新的物质形态-夸克胶子等离子体。迄今为止，人类还没有探测到电子、μ子、τ子等轻子的内部结构。夸克和轻子内部结构是什么样子也许只有在将来的超高能宇宙线实验或在极高能量的e+e-直线对撞机实验中才可能作出回答。 对探测研究物质微观结构的粒子物理， 世界各国都在加大投入。日本正在建造“supper B factory”, 欧洲核子中心正在运转大型强子对撞机(LHC)并讨论未来建造Higgs工厂的可能性。 中国也在讨论在欧洲核子中心之前建造质心能量约250 GeV 的e+e-环形对撞机（Higgs工厂）的计划。 欧美一些国家还正在研究建造μ子储存环（中微子工厂）和μ+μ-环形对撞机（Higgs工厂）的可能性。μ+μ-环形对撞机（Higgs工厂）的优点是比e+e-环形对撞机（Higgs工厂）能量辐射损失小得多。关键问题是如何获得准直的μ子束流。这个难题还没有解决，各国正在研究。 以上这些计划正在把物质微观结构的研究推向深入。

宏观世界到底有多大？

我们的宇宙到底有没有“尽头”， 或者说有没有“边”？ 今天人类已经把对宇宙的观测延伸到了130亿光年的距离（一光年等于光线走一年的距离即10万亿公里），仍然没有看到宇宙的“边”！ 世界各国（包括中国）已经建成了或正在建造超大型天文望远镜和卫星探测器等新型设备来探测宇宙空间。

由上面的讨论可以看出， 宇宙不管往大的方向还是往小的方向延伸都没有“尽头”， 两个方向的延伸都是无限的！

人类向宇宙的大和小两个方向探索时，一个奇妙的现象发生了：这两个方向上的延伸逐渐统一起来。往小的方向延伸的科学-粒子物理却应用于往大的方向延伸的科学-宇宙学和天体物理。宇宙大爆炸后的暴涨，宇宙物质和星系的形成和发展， 物质和反物质（重子和反重子）的不对称等的研究都和粒子物理紧密相关。可以说， 粒子物理把大宇宙和小宇宙联系起来了， 形成了粒子宇宙学和粒子天体物理等交叉学科。这些新方向的发展前景不可限量。粒子物理的发展前景也不可限量。

2014年6月美国粒子物理优先项目专门组Priorization Panel(P5)建议未来十年优先研究的五大方向，这些优先方向值得研究和借鉴。

未来十年优先研究的五大方向

1. 以Higgs 粒子为工具的新发现；

2. 和中微子小质量有关的物理；

3. 确认与暗物质相关的新物理；

4. 理解宇宙加速：暗能量和暴涨；

5. 探索新粒子， 新相互作用和新的物理原理。

最后，我们列出粒子物理中未解决的十大问题作为本文的结尾。要回答这些问题需要粒子物理学家和天体物理学家的共同努力。 我们还有很长的路要走！

悬而未解的十大问题

1.  能否把自然界所有的力统一为一种力？

2.  是否存在额外维空间？

3.  为什麽存在如此多种类不同的粒子？

4. 为什麽夸克和轻子只有三代？

5. 粒子质量的起源是什么？ Higgs粒子的发现并未彻底解决这个问题。

6. 什么是暗物质？如何找到它？

7.  什么是暗能量？如果是标量场提供，如何在实验中找到它？

8. 中微子在宇宙演化中的作用是什么？

9. 为什麽今天的宇宙中只有物质而没有反物质？

10. 是否还存在新的相互作用和新的物理规律？

本文由刘四旦摘编自杜东生、杨茂志著《粒子物理导论》一书。本书着重介绍粒子物理的基础知识, 同时尽可能多地介绍相关领域前沿的情况和最新成果。书中从对称性出发, 相继详细介绍强子的夸克模型、电磁作用和弱作用、弱电统一理论、强作用的规范理论QCD。书中还介绍了中微子振荡及轻子系统的CP 破坏。此外, 对超出标准模以外的各种新模型, 如大统一理论和超对称模型等,也作了简要介绍。

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