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01

院士的話

宇宙是如何起源的?

宇宙萬(wàn)物最基本的組分是什么?

這是自然界最基本的科學(xué)問題。從1895年發(fā)現(xiàn)X射線到2012年發(fā)現(xiàn)希格斯波色子,人類通過(guò)百余年的努力,成功的建立了量子理論及在其基礎(chǔ)上的粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型；但仍然有許多的觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象（比如電荷量子化、暗物質(zhì)等等）沒有辦法被標(biāo)準(zhǔn)模型所解釋，這背后一定隱含豐富的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理等待我們發(fā)掘。對(duì)于像磁單極子和軸子這一類超標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的新粒子搜尋，是尋找新物理的重要組成部分。這一類新粒子信號(hào)是超稀有且超微弱的，因而對(duì)于探測(cè)方法和手段提出了前所未有的挑戰(zhàn)；使用新興的量子傳感技術(shù)與粒子探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，將極大提高探測(cè)靈敏度,為此類尋找和發(fā)現(xiàn)帶來(lái)新的機(jī)遇。在2023年重大科學(xué)問題的評(píng)選當(dāng)中，各位專家一致推選“利用新型符合測(cè)量方式能否搜尋磁單極子和軸子暗物質(zhì)的存在？”作為一個(gè)重要科學(xué)問題。相關(guān)團(tuán)隊(duì)提出了結(jié)合原子磁力儀與塑料閃爍體的符合測(cè)量方案，有望形成大陣列來(lái)來(lái)對(duì)磁單極子和軸子進(jìn)行超高靈敏的尋找和探測(cè)。

趙政國(guó)

中國(guó)科學(xué)院院士

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

▲已知的宇宙歷史

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02

新粒子搜尋打開新物理大門

探尋超出我們知識(shí)邊界的新物理一直是物理學(xué)界的首要目標(biāo)，每一次對(duì)于現(xiàn)有理論的拓展和更新，都給整個(gè)領(lǐng)域乃至整個(gè)世界帶來(lái)了翻天覆地的變化。在21世紀(jì)的今天，雖然我們有一個(gè)非常成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，能夠很好地描述我們物質(zhì)的最小構(gòu)成，但從種種實(shí)驗(yàn)跡象看來(lái)，它仍然是不完整的；實(shí)驗(yàn)搜尋新物理理論預(yù)言的新粒子，如磁單極子、軸子暗物質(zhì)等等，則是對(duì)于新物理搜尋的一個(gè)最為直接的重要手段，相關(guān)突破將開啟物理學(xué)新篇章。

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03

對(duì)未知永無(wú)止境的探索

人類的科學(xué)史從本質(zhì)上說(shuō)就是不斷地把未知變?yōu)橐阎倪^(guò)程；這個(gè)過(guò)程非常緩慢且并不連續(xù)，通常在積累到一定程度后才會(huì)出現(xiàn)一個(gè)量變，比如一個(gè)新理論的建立。在物理學(xué)歷史中，我們見證了這種類似的重大發(fā)現(xiàn)和突破。從牛頓的經(jīng)典力學(xué)到愛因斯坦的相對(duì)論，從量子力學(xué)的誕生到粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，每一次進(jìn)步都展示了人類對(duì)自然規(guī)律的深入了解。以下我們舉幾個(gè)例子，說(shuō)明一下物理學(xué)史上著名的新理論建立過(guò)程：

（一）電磁統(tǒng)一

在19世紀(jì)初，科學(xué)界對(duì)于電與磁的本質(zhì)理解仍然是非常缺乏的。當(dāng)時(shí)，雖然對(duì)于電和磁分別有著不同的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，主流思想基本還是把它們當(dāng)作兩個(gè)不同的物理主體來(lái)對(duì)待；但是漸漸地出現(xiàn)了不少實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開始把電與磁進(jìn)行了聯(lián)系。

（二）量子理論建立

時(shí)間來(lái)到20世紀(jì)初期，經(jīng)典物理隨著經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)以及電磁學(xué)的完善，正是處于一個(gè)巔峰的狀態(tài)。但當(dāng)時(shí)也是有一些物理現(xiàn)象沒有辦法完全被經(jīng)典物理所解釋，最為著名的例子就是黑體輻射。

▲300K下黑體輻射譜，黑線代表測(cè)量結(jié)果，紅線代表經(jīng)典物理預(yù)期，藍(lán)線是維恩根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)的黑體輻射半經(jīng)驗(yàn)公式

普朗克為了解釋黑體輻射譜與經(jīng)典物理間的矛盾，首次提出了光的能量必須有一個(gè)最小單位時(shí)，就可以很好地去解釋黑體輻射譜。其實(shí)在提出該理念時(shí)，由于太過(guò)不可思議普朗克自己都沒有太過(guò)相信，只是認(rèn)為這是一個(gè)等效模型。但是科學(xué)家們相繼發(fā)現(xiàn)，利用光量子化的概念，可以進(jìn)一步去解釋在當(dāng)時(shí)同樣與經(jīng)典物理預(yù)期有出入的其他實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如光電效應(yīng)與原子穩(wěn)定性問題等等。所以從此，量子力學(xué)誕生并且極大地改變了整個(gè)世界。

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04

超標(biāo)準(zhǔn)模型新粒子

▲粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型可以說(shuō)是現(xiàn)今最為成功的物理理論之一，它描述了物質(zhì)最為微觀的組成。通過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)以及理論構(gòu)建起的標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們，物質(zhì)是有費(fèi)米子（重子以及輕子）構(gòu)成的，重子最為基本的單元是6種夸克，輕子也有六種分別是電子、謬子、陶子以及它們各自對(duì)應(yīng)的中微子；而這12個(gè)基本粒子各自還有其對(duì)應(yīng)的反粒子。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型還描述了物質(zhì)之間的基本相互作用（除了引力以外），認(rèn)為物質(zhì)間的作用是通過(guò)交換玻色子來(lái)實(shí)現(xiàn)的：電磁相互作用通過(guò)交換光子，弱相互作用通過(guò)交換W和Z玻色子，強(qiáng)相互作用通過(guò)膠子。還有一種玻色子希格斯粒子給予物質(zhì)質(zhì)量。所以24種正反費(fèi)米子以及5種玻色子構(gòu)成了目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型；至2012年希格斯粒子在ATLAS以及CMS實(shí)驗(yàn)中被找到，標(biāo)準(zhǔn)模型粒子全部被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是這不意味著標(biāo)準(zhǔn)模型就是完美的最終理論，我們?nèi)匀挥锌捎^數(shù)量的問題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒有被標(biāo)準(zhǔn)模型所解釋：

（一）電荷量子化問題和磁單極子：

磁單極子同時(shí)在粒子物理以及宇宙學(xué)上有著非常大的意義，它與長(zhǎng)期懸而未決的電荷量子化問題息息相關(guān)，也是超標(biāo)準(zhǔn)模型大統(tǒng)一理論預(yù)言的重要粒子；同時(shí)也是宇宙極早期誕生的產(chǎn)物，帶有宇宙早期的演化信息。

（二）暗物質(zhì)和軸子：

暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？現(xiàn)今大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)可能是一種超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，背后蘊(yùn)含著我們現(xiàn)今還未清楚的新物理的存在。主流理論認(rèn)為暗物質(zhì)粒子最為可能的候選者有兩個(gè)，一個(gè)是大質(zhì)量弱相互作用粒子，另一個(gè)就是軸子。軸子是為了解釋強(qiáng)相互作用中電荷宇稱守恒問題，而被提出來(lái)的，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)模型下強(qiáng)相互作用電荷宇稱是應(yīng)該發(fā)生破缺的。同時(shí)由于軸子預(yù)期的質(zhì)量極低，與物質(zhì)間相互作用非常微弱，也是暗物質(zhì)非常強(qiáng)力的候選者。

▲(上左圖)星系旋轉(zhuǎn)曲線示意圖;

(上右圖)子彈星系團(tuán)碰撞后產(chǎn)物;

(下圖)Planck衛(wèi)星探測(cè)到的微波背景輻射溫差圖以及多極展開譜

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05

不斷進(jìn)步的探測(cè)手段

對(duì)于磁單極子以及軸子這一類新粒子的探測(cè)，對(duì)于我們的探測(cè)手段有著非常高的要求；這一類探測(cè)通常被認(rèn)為是稀有微弱物理過(guò)程。它們的信號(hào)要么特別稀有，顯著受到地球上的各種輻射環(huán)境的影響；要么這類信號(hào)幅度非常小，很容易被無(wú)處不在的噪聲給掩蓋下去。過(guò)去幾十年，針對(duì)稀有微弱物理過(guò)程的搜尋，探測(cè)器技術(shù)在不斷地得到提升。

（一）磁單極子探測(cè)

對(duì)于磁單極子的探測(cè)，最為主流的方式有兩種：深地粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)以及超導(dǎo)線圈實(shí)驗(yàn)。深地粒子探測(cè)器主要是利用傳統(tǒng)的粒子探測(cè)手段，對(duì)于磁單極子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電離信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。另一種對(duì)于磁單極子重要的探測(cè)手段是利用超導(dǎo)線圈去探測(cè)磁單極子穿越時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。

▲(左)MACRO探測(cè)器示意;

(右)ICECUBE探測(cè)器示意。

（二） 軸子探測(cè)

主要的探測(cè)方式是基于理論認(rèn)為軸子在強(qiáng)磁場(chǎng)下可能會(huì)轉(zhuǎn)換為光子，比較著名的比如有微波諧振腔探測(cè)儀。它是通過(guò)構(gòu)建特殊的幾何形狀腔體可以對(duì)微波進(jìn)行諧振并收集，主要探測(cè)的是軸子與光子間的相互作用，在諧振腔中產(chǎn)生的特殊頻率微波。

▲(左上)微波諧振腔示意圖;(右上)太陽(yáng)軸子探測(cè)器示意圖;(下)激光穿墻實(shí)驗(yàn)探測(cè)器示。

（三）量子傳感器開啟粒子探測(cè)新篇章

隨著粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于探測(cè)的精度要求越來(lái)越高，過(guò)去傳統(tǒng)的基于電離能量探測(cè)的技術(shù)（閃爍體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等等）逐漸開始無(wú)法滿足要求；漸漸地一 些新興的量子傳感器技術(shù)開始被應(yīng)用到粒子探測(cè)領(lǐng)域。一個(gè)成功的例子是在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

▲(左)CDMS 探測(cè)模塊照片;

(右)探測(cè)原理示意圖。

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06

結(jié)語(yǔ)

近幾年越來(lái)越多的量子傳感技術(shù)正在被運(yùn)用到粒子探測(cè)領(lǐng)域，很有可能在近未來(lái)給我們新粒子領(lǐng)域帶來(lái)重大突破，磁單極子和軸子探測(cè)只是一個(gè)開始。相信在不斷提升探測(cè)精度的同時(shí)，一定會(huì)有更多的新物理跡象涌現(xiàn)，直到我們迎來(lái)下一個(gè)物理上的重大發(fā)現(xiàn)。

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