专业介绍：粒子物理，人类基础科研领域的最璀璨明珠

一：粒子物理（partical physics）研究的是什么？

从人类学会思考和提问开始，我们就一直强烈地好奇着两个问题：组成世界的最小物质单位是什么？它们之间的相互作用由什么样的最基本规律支配着？对这两个问题的好奇，也成为了数千年来人类文明发展、对自然不断探索的的原动力。对这两个问题的直接研究，也被认为是人类科学中最基本的领域。

在不同时期，出现了不同的学科来研究这两个最基本问题。在人类还没有实验技术的古希腊年代，研究这个问题的属于哲学。人们提出了世界是由四种元素构成：水、火、风、土。当时还没有现在这么多学科分支，一个哲学基本概括了一切自然研究。当然此时的研究更多的是没有主动实验手段的纯粹思考。后来，人们掌握的技术越来越高，也有了一定的实验手段，诞生了化学。化学也在相当长的时间里承担了对基本物质和相互作用规律的研究任务，是最基本、最前沿的学科。化学成功地将人类对基本物质单位的认识从主观臆测时代领入了分子原子时代。门捷列夫的元素周期表，也成为了对当时分子级实验现象最概括的总结。

粒子物理，就是从近代开始一直到今天，负责研究物质基本单位和相互作用基本规律的学科。现代粒子物理公认的开端，是1897年汤姆森（J. J. Thomson）从阴极射线中发现电子。这是人类发现的第一个基本粒子，从此拉开了粒子物理一百多年的辉煌大戏。到今天为止，粒子物理发展成了一个极富特点的学科领域。它的目标是如此简单而概括，但是却产生了最大规模的分支学科群：对撞物理、宇宙线、中微子物理、反应堆物理、加速器、理论、唯像、计算、原子核，等等；它研究的问题是如此基本，看上去毫无实际意义，但是为了满足这份好奇心，却直接产生或极大推动了非常广泛的人类工业技术：网络技术、数据分析技术、高速芯片、强磁场、材料、半导体、精密机械加工、电子学、计算机技术、医学物理、核技术等等，不胜枚举。人们不得不感叹，如此精炼的一两个目标，却对应着如此庞大的学科体系；如此纯粹的自然探索，却极强地结合了现代工业技术。想想看，平时的工作要面对着工业仪器和电路板，上了报告台谈论的却是宇宙起源。这种反差萌，构成了粒子物理最大的魅力。

当今的粒子物理，已经形成了人类有史以来最完美、最精确的理论模型：标准模型（Standard Model）。我们用12个基本费米子，就能够组成一切自然界稳定或不稳定存在的物质；仅用了5个基本玻色子，就能够精确计算除了万有引力外一切相互作用规律，与实验吻合的最高精度可达到亿分之一。整个标准模型描述了几乎所有人类已观测到的实验现象，但是只需要19个基本参数。

二：粒子物理的学术特点

粒子物理具有多个非常明显的特点

I. 极为广泛的学科覆盖

随着粒子物理研究的前沿越来越推进，我们研究粒子物理所需要的工业技术也就越来越高，涉及到的领域也就越来越广泛。为了说明这个问题，我们以目前粒子物理研究的最前沿，欧洲核子中心（CERN）为例，来看看完成一个粒子物理实验涉及到了哪些方面。为了在接近千亿分之一米的小空间尺度上研究基本物质与相互作用，需要制造极高能量的粒子对撞。于是我们建造了大型强子对撞机（LHC）。它的主体是一个周长27公里的加速环（从来没有人可以跟我们比实验仪器~），可以将两束质子加速到13万亿电子伏然后对撞（常温对应能量~0.03电子伏）。要能够把粒子加速到如此之高的能量，自然需要极高的加速器技术和人才。对撞时，为了能够保证对撞效率，需要将数万亿个质子精确控制在数厘米的空间中，并且在固定时间出现在固定地点，时间精度要维持在纳秒量级。要控制能量和密度这么高的粒子束，需要高超的强磁场控制技术以及一系列准流、聚焦。这就直接涉及到超导和磁镜。所有这些，都依赖于精密机械加工。加速器中的粒子束对撞，产生了大量末态事例。我们的物理信息就包含在这些对撞产生的次级粒子中。要探测这些粒子，就需要建造各式各样的探测器，包括气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器等等。现代探测器设计往往需要在微米量级进行材料的铺设和结构制造，这对材料与半导体制造技术又是一大挑战，也涉及到很精密的加工技术。对撞发生时，每秒产生数千万个事例，数十亿个次级粒子。因此探测器的时间响应能力要达到十亿赫兹的频率，这又是对高速芯片产生了要求。为了满足高精度测量，整个探测器电子学噪音要控制在几十毫伏以内，需要非常先进的电子学设计。同样，每秒中产生如此庞大的事例数，需要极大的储存空间。数据取下之后，又面临着如何传输数据的问题。因此，要发展一整套的高速网络技术（www网络就因此诞生）。当我们取下所有数据之后，还要进行复杂的数据分析。几乎所有基于统计的现代数据分析技巧和工具都从粒子物理领域发展而来。数据分析还是属于实验领域，在此之后，自然又会有一系列的跟理论计算相关的工作。大家都说，航空航天是国家大工业的象征，带动的是整个工业技术体系。那么粒子物理学科就是在科技领域的最大规模集成性研究。

如此广泛的学科覆盖，使得粒子物理专业的科学家们所实际研究的课题千差万别，也使得粒子物理专业的研究人员有非常广泛的跨行业工作机会。每年，粒子物理领域都在向金融、计算机、医疗、保险、市场分析、大数据等对口的专业输送大量人才。

II. 最大程度的国际合作与交流

粒子物理的实验研究涉及的方面太多了，规模也太大了。所以无论是人力、财力，还是技术储备，都很难由一个国家独立完成。像欧洲核子中心这样的大型通用粒子物理研究机构，所需要的建成费用加运行费用在千亿美金量级，这相当于建造好几个航母战斗群。更何况，任何一个国家都很难独立提供粒子物理实验所需要的所有高尖端技术。因此，国际合作成为了粒子物理学科发展的必然选择。世界著名的几个大的粒子物理实验都是以国际合作组的形式出现，由几十个国家、上百个科研单位和高校的数千位科学家一起承担。不同国籍、不同专业、不同文化背景的科学家在一起紧密合作，使得粒子物理的合作规模空前庞大，也使得粒子物理学科成为对人的交流与沟通能力要求最高的领域，甚至超过了绝大部分商业领域。。这种工作形式，与很多人印象中的科研人员呆板木讷的形象产生了巨大反差。

粒子物理的国际合作与交流已经发展成为日常工作中不可避免的一部分。如此大规模的合作形式，使得粒子物理学科产生了几个明显的优点。首先，粒子物理在基本面上平衡了各个科研单位与高校的资源。虽然说科研单位与高校水平有高低，在高端研究方面确实有区别，但是因为大家都在一个合作组里，所以大家还是都能接触到最前沿的研究，能够接触到最顶级的科学家。这与绝大部分非大规模合作型的科研学科很不同。在那些学科里，很有可能实力不够的科研单位或高校根本连本学科的前沿内容都接触不到。而粒子物理这个优点大大减轻了后进学生在申请高校时的压力，因为高校水平对学生发展的影响有所下降。其次，粒子物理是完全开源的学科。在粒子物理领域，除了少数涉及到国家工业与商业的纯粹硬件制造技术以外，一切技术或者代码都是公开的。而且，合作组文章与结果发表之时，数名都是整个合作组。这种风气使得粒子物理虽然规模庞大，但是学术风气相当清澈。因为互相之间很少有所谓竞争，很多东西也无从隐藏。这种风气，更好地激发了国际合作。而国际合作又进一步巩固了这种风气。这是一种良性循环。

III. 淘汰率也低，优秀率也低

随着粒子物理的合作规模越来越大，分工也越来越细。这使得对科研人员的工作要求有一些工业化和标准化。所以粒子物理学科有很多较为程序化的工作，所以淘汰门槛是相对较低的。不像很多学科，因为毕竟是基础科研，所以不能达到一定的水平就很难留的下来。更何况粒子物理因为涉及到的工业技术方面较多，转专业也较为方便。这让粒子物理学科的科研人员相对压力就小了很多。不过随着基本要求不断降低，对拔尖优秀人才的要求也越来越高。因为在这种较为标准化的工作环境内，要想有所突破、有所创新就不是很容易，对个人的主动性要求很高。再加上粒子物理本来需要的人力资源就很大量，比如欧洲核子中心有一万多名科学家和工程师，还有更多的学生参与其中。人多了更不可能每个都是出类拔萃。因此淘汰率和优秀率都低，是粒子物理学科的一大特点。

IV. 长周期

粒子物理的研究，无论是理论还是实验已经高度发展，各自形成了体系。因此粒子物理的研究周期一般要长于大多数学科，尤其是实验领域。一般一个普通的实验结果总要一年以上才能出结果，稍微重要一些的测量都是两年以上。某些精度很高的重要物理结果还有可能花费数年时间。如果是参与硬件的开发与制造，周期就更长了。像很多学科那样可以几个月大半年就有一个成型结论的情况是极少见的。粒子物理的长周期还体现在对学生的培养上。一般一名学生可能需要一两年才能具备在有人指导的情况下工作的能力。要想获得独立承担工作的能力需要好几年。要想具备独立领导工作的能力，一般要十年经历。其实现在各个学科都在发展，储备的知识越来越多，与工业技术结合也越来越紧密。因此长周期是一个较为普遍的发展趋势，只不过粒子物理要更明显。

三：科大粒子物理专业

粒子物理是科大几个顶级王牌专业之一。

科大粒子物理专业的主体前身是理论物理与核物理，是新中国建立时基于国防需要对科大提出的战略性要求之一。从上世纪八九十年代开始，随着核技术的不断成熟，可研究的内容逐渐变少，开始慢慢向高能粒子物理实验与理论领域进行转移，并且近几年发展十分迅速。

科大粒子物理专业的一大特点是体系化。目前科大粒子物理拥有十几位教授和相当数量的副教授。从理论、唯像，到硬件的制造开发，再到最终物理分析，形成了一个较为完整的体系，使得科大成为国际上较少的可以独立进行规模化、体系化粒子物理研究的高校之一。受到国家重大国际合作项目支持，拥有核探测与核电子学国家重点实验室，是科大拥有的十四个国家级科研机构之一。主要涉及到的专业方向有实验高能物理、中高能核物理理论与唯像、核固体物理、粒子物理唯像与电子学实验。

实验高能物理是科大规模最大的粒子物理方向。主要参与的国际实验包括：欧洲核子中心最大实验ATLAS国际合作组、美国费米国家加速器实验室D0国际合作组、北京正负电子对撞机上的BES国际合作组。以及日本高能物理中心的Belle实验、美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机STAR实验、大亚湾反应堆中微子实验等。还有上世纪八十年代到九十年代科大参与的欧洲核子中心大型正负电子对撞机LEP上的L3实验。

科大粒子物理专业拥有一个大规模高水平的科研团队。主要领导包括赵政国教授（中科院院士、APS Fellow，主要领导ATLAS实验与BES实验），韩良教授（杰青，主要领导ATLAS实验与D0实验），彭海平教授（杰青、主要领导BES实验），以及刘建北教授、刘衍文教授、黄光顺教授、安琪教授等。还有与我们联系非常紧密的物理电子学专业的金革教授等。截止到今年秋天，仅仅在ATLAS与D0两个国际合作实验上，科大组就贡献了51篇高水平论文，包括16篇发表在顶级期刊Phys. Rev. Lett.上。

目前，科大粒子物理专业正在建立目标国际领先的高能粒子物理实验学科，需要一大批高水平、有热情的学生加入。如果大家有兴趣，可以联系粒子物理专业的各个主要负责老师。当然作为本专业科研人员，也可以直接联系我。

第一个拜读，粒子物理！璀璨明珠。

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一直以来，看到某QQ群中的部分家长极力推崇cs，说学理化生没有出路，弄的不少孩子学理化生的家长焦虑，以至于科大计算机学院人满为患，难不成这样下去，科大真的要flxg了不成？理科的学长们也应该站出来发声了！！！

中科大的顶级王牌专业，很多研究成果处于国际前沿，是科大安身立命之本。

拜读了，不了解这个专业，孩子就学了这个专业

杨学长的文章，绝对是力作！