高能物理是研究比原子核更深层次物质结构及其相互作用的物理学分支学科，又称粒子物理。它关注物质的最基本组分以及这些组分之间在高能量条件下发生转化时的规律，是当代物理学的前沿领域之一。由于许多基本粒子在通常条件下并不存在或不能单独出现，研究者需要借助粒子加速器使粒子在高能下碰撞，以产生并观测它们。[1][2] 目前描述基本粒子及其相互作用的框架是标准模型，但该模型仍不能解释暗物质、中微子质量起源等问题。[3]
定义
高能物理是研究物质最基本组分及其相互作用的物理学分支学科，因此也常被称为粒子物理。[1] 它的研究对象是比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质，以及在很高能量下这些物质相互转化的现象和规律，属于基础学科。[4] 许多基本粒子在自然条件下并不存在或不单独出现，研究者只有借助粒子加速器让粒子在高能条件下相撞，才能产生并研究它们，「高能」一词即由此而来。[2]
按照量子力学，粒子的能量越高，其德布罗意波长越短，可分辨的空间尺度就越小，二者大致满足 $E = hc/\lambda$。因此高能加速的粒子束常被比作观察微观结构的强力「显微镜」，能量越高则能探测的尺度越小，也越有可能在碰撞中产生质量更大的新粒子。[5] 在自然单位制下，高能物理所讨论的基本粒子相互作用大多发生在极高能量与极短距离的情形中。[6]
背景
人类对物质基本组分的追问可以追溯到古希腊的原子论。19 世纪末到 20 世纪初，电子的发现、卢瑟福由 α 粒子大角度散射证实原子核的存在，以及 1932 年中子的发现，逐步确立了原子由原子核和电子构成、原子核由质子和中子构成的图像。[4]
在研究原子层次的过程中，实验上出现了原有理论无法说明的原子核自发衰变现象和原子核稳定性问题，这反映出除日常可感知的引力与电磁力之外，还存在力程极短的强作用力和弱作用力。[1] 对这些未知问题的探索，结合原子核性质的实验与理论研究以及宇宙线研究的成果，促成了高能物理这一新领域的产生。[1] 高能物理作为一门得到公认的学科，是在第二次世界大战之后才逐步确立的。[6]
内容
高能物理要回答的核心问题是：世界由哪些基本成分组成，这些成分之间又是如何相互作用的。[6] 目前描述基本粒子及其相互作用的理论框架是标准模型，它涵盖电磁、弱、强 3 种基本相互作用，但不把引力包括在内。[3] 按照这一框架，物质由夸克和轻子组成，粒子之间通过交换光子、胶子以及 W、Z 玻色子等规范玻色子发生相互作用，每种基本粒子都存在对应的反粒子。[7]
实验上，高能物理主要依靠加速器、对撞机和粒子探测器。以大型强子对撞机为例，它周长 27 千米，位于地下约 100 米处，把两束质子加速到接近光速后对撞；碰撞产物由环绕碰撞点的探测器记录，研究人员据此重建粒子的径迹与能量。[8] 加速器的能量越高，碰撞中可能产生的新粒子质量就越大。[5]
除对撞机之外，宇宙线和反应堆中微子也是重要的实验手段。[9] 宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子束流，其中包含能量极高的粒子，但束流强度低、不稳定，经大气散射后能量损失较大；核电站反应堆则会释放大量中微子，可供开展中微子振荡实验。[9]
影响与争议
2012 年 7 月 4 日，欧洲核子研究中心宣布，其大型强子对撞机上的 ATLAS 和 CMS 两个实验都观测到一种质量约为 125 GeV 的新粒子，性质与长期寻找的希格斯玻色子相符，置信度达到 5 个标准差。[10] 这一发现使标准模型预言的基本粒子全部得到实验证实，被视为该年度的重大科学突破。[11] 2013 年，恩格勒特与希格斯因相关理论工作获得诺贝尔物理学奖。[12]
标准模型虽然得到大量实验支持，却仍存在明显局限：它没有纳入引力，也不能解释暗物质和暗能量的本质、物质与反物质的不对称，以及中微子质量的来源。[3] 中微子静止质量不为零，是最早出现的与标准模型预言不一致的实验观测。[2] 寻找超出标准模型的新物理，因此成为高能物理当前的重要方向。[3]
中国的高能物理实验以 1988 年建成的北京正负电子对撞机为起点，在 2 至 5 GeV 能区的物理研究中取得进展；其后大亚湾反应堆中微子实验发现了新的中微子振荡模式，江门中微子实验和高海拔宇宙线观测站相继启动建设并陆续投入运行。[13] 高海拔宇宙线观测站位于海拔约 4300 米的高原，江门中微子实验的探测器则安置在地下约 700 米处，二者都以非加速器手段研究粒子物理规律。[14]
参见
参考资料
- 谈谈高能物理 . ihep.ac.cn [引用日期2026-09-27]
- 粒子物理学（物理学分支）_百度百科 . baidu.com [引用日期2026-09-27]
- Particle physics - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare . infn.it [引用日期2026-09-27]
- 高能物理学_百度百科 . baidu.com [引用日期2026-09-27]
- An introduction to High Energy Physics at CERN . cern.ch [引用日期2026-09-27]
- TeV能区新物理 . pku.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- Phys . ihep.ac.cn [引用日期2026-09-27]
- Introduction to Particle Physics . stanford.edu [引用日期2026-09-27]
- 粒子物理学导论-肖振军(PDF) . ihep.ac.cn [引用日期2026-09-27]
- t20120712_3614918 . ipcas.ac.cn [引用日期2026-09-27]
- 上帝粒子的发现之路——欧洲核子中心辉煌六十年 . sohu.com [引用日期2026-09-27]
- 环形正负电子对撞机 . cas.cn [引用日期2026-09-27]
- P020230911582651166407(PDF) . cas.cn [引用日期2026-09-27]
- 上天入地，做最前沿的物理｜重点实验室巡礼 . qq.com [引用日期2026-09-27]
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最近更新：2026-09-27T15:18:01Z
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