《中国科学报》 2014-10-17 第14版 刊登了北京大学物理学院教授曹庆宏的这篇文章。
物理学最神奇的地方就在于自然规律本身的奥妙无穷，而更不可思议的是，我们居然可以在纷繁芜杂的现象之中发现这些规律。作为基础物理学前沿学科，粒子物理（或高能物理）研究自然界的基本规律。基本规律在不同历史时期有着不同的含义。17世纪科学家研究行星的轨道，引力是当时的基本作用力。到了19世纪，电磁力成为人们想要理解的基本力。20世纪初，现代物理的两大支柱——量子力学和相对论——被建立起来的。它们精妙异常，更加吸引人，也更为复杂。
伴随量子力学的发展，人们对于世界基本组分的认识也逐渐深入。人们认识到原子的存在，发现物质是由非常小的粒子组成。世间万物是由原子组成，原子是由质子、电子和中子组成，质子和中子又是由夸克组成。那么，自然界是否还有更小的组分呢？如果有，我们又如何探测呢？海森堡的测不准原理告诉我们，使用高能量才能够探测微小距离的物理，也即用更高能量的加速器去观察更小距离的物理。粒子物理学家使用的加速器可以被想象成一个巨型的“显微镜”，它帮助我们“观测”微小距离尺度上的物理。
大型强子对撞机（LHC）是人类制造的最大显微镜。LHC的建立过程是非常困难的。它于1994年立项，2007年在欧洲核子中心建成，历时十余年之久。这台超级对撞机是国际科研合作的成功典范。它成功地培养了大量的青年人才，发展了许多和国计民生息息相关的技术。20世纪下半叶，量子力学和相对论结合在量子场论的理论框架中，随即粒子物理的标准模型也应运而生。标准模型获得了巨大成功，它完美地描述了所有的实验现象，各种精确检测的实验结果都和理论预言出色地一致。2012年希格斯粒子在大型强子对撞机上被发现。这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法。这是一项无与伦比的成就，为20世纪的基础物理学研究写下一个完美的句号。
希格斯粒子的发现既是理论物理的极大成功，也是实验物理的里程碑。整个实验过程中发生的碰撞难以计数。实验学家每秒钟从1600万个碰撞事例中挑选出500个好事例。虽然已经筛选掉海量的数据，但数据记录仍然需要可观的存储空间。每个事例的压缩信息仍然需要半兆字节的存储单元，实验学家们需要记录和处理几百亿兆字节的数据。为了能够及时将数据传递到分布全球各地的科研单位，实验学家开发了网格计算技术——世界领先的计算存储技术。实验学家们可以在家里、咖啡店或机场等地远程提交计算任务，而这个计算工作实际上将会在遍布35个国家的150个计算中心的25万台电脑上运行。这种网格计算技术将会极大地影响和改变其他的科学研究领域。
在试图探索自然界奥秘的过程中，粒子物理学家不断地发展新实验技术和方法。这些技术和方法可以广泛应用于国计民生的各个领域。首先，高能物理一直是计算技术强有力的推动者，在互联网、WEB技术及网格的发展中都作出了积极的贡献。我们都知道万维网（World Wide Web）彻底地改变了全世界，但大家或许不知道万维网起源于欧洲核子中心，Tim Berners-Lee发明万维网的动机是为粒子物理学家提供有效的沟通工具。
其次，在医疗成像方面，LHC使用的光子探测器可用于医院的正电子发射计算机断层显像扫描中，显示人体身体内部结构的影像。LHC采用的像素探测器可以实现精确定位和能量精确测量。这种技术，学名为电脑轴切面断层影像技术，可以使用少量辐射就扫描到非常多的信息，甚至可以拍摄视频记录病人体内病灶的变化情况。提升LHC的探测器性能也会大幅度地提高未来医疗成像技术，拍摄出更清晰的照片以供医疗诊断。
标准模型还存在许多不足之处，它不会是最终的理论，探索能更好反映自然界的超出标准模型的新物理是粒子物理研究的主要方向。随着对宇宙的了解逐渐深入，我们了解到标准模型所能描述的正常物质仅仅是宇宙总能量的5%而已，而对于其他部分我们还知之甚少。我们的研究还有95%的空白，我们探索宇宙规律的道路还是非常漫长。在逐步揭开宇宙神秘面纱的同时，我们遇到愈来愈多的难题。例如，标准模型背后的更深层次的物理机制是什么？如何将引力和粒子物理结合起来？暗物质和暗能量的本质是什么？正反物质为何不对称？宇宙大爆炸究竟是什么？什么导致基本粒子质量远远小于引力能量标度？探索宇宙的规律是人类千载不变的追求，自屈原的天问到今日的基础物理学，这些问题千百年来困惑着人类。
回答这些问题需要我们建造更大分辨率的显微镜。现有的LHC类似于黑暗中的一盏明灯，可以帮助我们发现新物理的蛛丝马迹，但它并不足以帮助我们完全认识新物理粒子的特性。在LHC成功运行后，人类还需要建造下一代正负电子对撞机和超高能质子对撞机，通过两种对撞机上探测结果的互补来发现和确认新基本粒子及其性质，从而进一步揭示新物理定律。2012年我国高能物理学家提出了在中国建造“环形Higgs工厂”及后续的“超级质子对撞机”的科学目标。这是我国高能物理界的一个梦想，若能实现，会使中国高能物理实验研究跨越发展。中国高能物理将由此打开一个全新的局面，站到世界最前列。我们对未来充满期待，超级对撞机项目的前景辽阔。
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