郝偉，理論物理所2020級博士生
導師：鄒冰松研究員
研究方向：強子物理
在我們生活的世界里，有一些看似微小的粒子，它們的存在卻對我們的生活產生了重大的影響。這些粒子是研究對象，它們的行為和相互作用被研究者們廣泛研究和應用。科學的發展是服務于社會的發展和進步的，那么粒子物理學的發展能夠對我們的社會產生怎樣的影響呢。從粒子物理學本身的發展來說，它對我們的生活產生了極大的經濟價值，從構建實驗設施到運行投入，這些令人印象深刻的設施已成為各大國家的重要資產。實驗室除了可以成為一些大型設施和儀器研究的場所，還是科學家進行研究的中心。研究結果和數據會被用于去解決實際問題和設計實用技術。各個國家之間也會在粒子物理實驗領域進行合作和分享，從而促進了國際間的和平和友誼。此外在其它領域，粒子物理學也發揮著重要作用。本文我們就從醫學成像技術、輻射治療、核科學和材料科學等方面對粒子物理在生活中的應用做一些介紹。
01.
什么是粒子物理學?
粒子物理學是研究微觀世界中基本粒子的性質和相互作用的學科，在強子層次這些基本粒子包括各種介子、重子等，當然還有各種奇特強子態。粒子物理學是物理學的一個分支，旨在探測物質的最基本組成部分，從而深入理解宇宙的本質及其演化。
粒子物理學所涉及的粒子非常微小，需要借助于高能加速器來進行研究。通過加速器可以使粒子發生碰撞，并借助于其中安裝的各種探測器，來觀測和研究它們之間的結構組成和相互作用性質。目前粒子物理學能研究到的最基本粒子層次是夸克層次，并通過標準模型對這些粒子做了很好地分類。在標準模型下，夸克有三代六味，分別為上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克，夸克被禁閉在強子內部，通過復雜的相互作用形成強子。傳遞相互作用的粒子被稱為傳播子，其中膠子傳遞強相互作用，光子傳遞電磁相互作用，W和Z玻色子傳遞弱相互作用，希格斯粒子引導規范群的自發對稱性破缺，與費米子有湯川耦合，是慣性質量的源頭。
雖然粒子物理學更多的是側重于基礎實驗和理論研究，但它已經在我們生活的方方面面發揮著重要作用。粒子物理學的研究成果在科學與技術、能源工業和醫學等領域都有著廣泛的應用。
02.
粒子物理學在醫學上的應用
醫學服務于人類身體健康和社會福祉，醫學的發展伴隨著各種醫療設備的研發和醫療技術的提升。粒子物理學在醫學上的應用可以推動新型診斷和治療技術的發展，能夠為醫療系統提供高效的醫療設備，讓醫生和醫學研究者了解更多關于疾病的信息和治療方法，提升病人的治療準確性和效率。
a. 放療：粒子物理學可以用于癌癥的放療。利用高能粒子束和離子束，在體內精準定位并擊中癌細胞，達到精準治療和損害周圍健康組織的最小化，提高治療效果和減輕治療副作用。
b. 影像診斷：粒子物理學在醫生對病人進行診治時，也有著不可或缺的作用。利用同步輻射成像技術、放射性示蹤劑、計算機斷層掃描(CT)等技術，可以精確診斷疾病的情況。
c. 精準醫學：粒子物理學的研究可以為精準醫學提供診斷和治療方法。通過基因組學和生物物理學方法，粒子物理學可以通過檢測病例的基因信息來進行精準醫學的治療。
d. 醫學影像學：粒子物理學還可以應用于醫學影像診斷。例如，利用正電子發射斷層掃描(PET)和單光子發射性能斷層掃描(SPECT)等技術來檢測深部組織內的腫瘤細胞，達到更加準確的檢測效果。
03.
粒子物理學在工業上的應用
1. 航空工業
航空工業的發展不僅關乎民生，更關乎國家安全，軍用航空工業的發展對國家安全至關重要，無論是二戰還是二戰后的各種地區沖突，都可以看到，制空權的掌握能夠在很大程度上決定戰場的局勢走向，而制空權很大程度上依賴于國家航空工業的發展。粒子物理學在航空工業發展中扮演著重要角色。
a. 材料研究與測試：粒子物理學可以用于模擬高速碰撞情境，深入研究材料的性質、強度以及它們在高速碰撞中的表現。通過檢測材料在粒子束下的反應，可以更深入地了解材料特性，為研發新材料提供技術保障。
b. 輕質材料加工：航空行業中使用輕質材料替代重量較大的材料可以提高航空器的速度與效率。粒子物理學可以通過控制粒子束的運動軌跡，進行材料的加工、切割，實現對高強度輕質復合材料的精密加工。
c. 電子設備研發：隨著航空技術的不斷進步，電子設備在飛機上扮演的角色越來越重要。粒子物理學通過研究電子的行為、控制與測量，不斷完善航空電子設備與通訊設備的性能和可靠性。
d. 航空器探測系統：粒子探測器不僅僅可以用來研究材料與粒子的相互作用，還可以在航空器中用來檢測粒子、輻射以及其它無法被鉛屏蔽的粒子。通過對機艙的輻射探測，可以增加航班安全度，保證航班的順利進行。
可以看到，從材料研究到航空器探測，都涉及到粒子物理學的技術，這些技術的不斷發展將使精密、高速、高效又安全的航空交通變得更加可靠和普及。
2. 能源利用
工業革命以來，借助于化石能源，人類實現了從農業社會到工業社會的變革，但這也帶來了巨大的危害，比如污染。而且化石能源作為地球上的有限資源，終有枯竭的一天。但未來人類對能源的需求將會只增不減，如何創造出新的清潔能源為科技工作者提出了新挑戰，而粒子物理學作為基礎科學，對能源的發展將起到重要作用。粒子物理在新能源方面持續推動能源技術的創新和進步，以滿足未來對能源巨大的需求量。
a. 核聚變發電: 核聚變是一種將兩個輕核融合形成一個更重的核，并放出能量的過程。這種過程需要極高的溫度和壓力才能進行，也需要控制反應的能量釋放，同時還要避免對環境造成損害。粒子物理學的研究能夠幫助我們更好地理解核聚變過程，從而研發更為安全和高效的核聚變反應堆，這能夠為未來提供巨大的清潔能源。
b. 粒子束切割和焊接: 粒子束可以很精確地進行切割和焊接，這在制造業中非常有用。例如，使用離子束切割、磨削、燒結、拋光等方式制備材料，并用于半導體、化學、光學等高科技領域。這種切割和焊接可以更準確和快速地完成工作，同時也可以降低使用傳統方法時可能涉及的環境和健康危害。
c. 暗能量和暗物質的研究: 暗能量和暗物質是目前仍未被直接測量到的物質，但它們在宇宙物理學中扮演著重要角色。粒子物理學家正在尋找新的技術，包括使用加速器和探測器來尋找這些物質。了解暗能量和暗物質將有助于我們更深入地了解宇宙的起源和演化，同時也能幫助我們更好地開發可持續的能源。
d. 太陽能電池: 太陽能電池使用粒子物理學原理實現。太陽能電池通過利用光子轉化為電子現象，在陽光下將光轉化為電。太陽能電池因為干凈、綠色、低成本等特點，已成為現代高效節能、新興綠色能源之一。
3、安全檢測
生活中，尤其是出行時，人們總要經歷各種安全檢測以保障大家的出行安全。隨著技術的不斷進步，人們的檢測方式已經從傳統的“搜身”過度到了各種檢測設備的大量使用，這不僅節約了大量的人力成本，還使得檢測更加精準和高效。此外在物流行業，檢測設備也被大規模使用以保障貨物安全。相比于化學檢測，物理檢測往往更方便安全可控。安全高效的檢測系統的開發，能夠為生活提供極大的便利。檢測設備的研發需要我們對相關粒子的組成和性質有著很全面的認識以保證安全性和可靠性，這也正是粒子物理學的研究目標之一，因此粒子物理學的發展會促進這些設備的升級和發展，粒子物理學在安全檢測方面的應用范圍也會更加廣泛并且細分化。
a. 金屬探測器：金屬探測器使用了粒子物理學中的知識。金屬探測器通過探測金屬物體的電磁信號來檢測金屬中的微小氧化物，可在保安檢測、貨物檢測、礦物探測、人體快速安檢、機場安檢等地方使用。
b. 輻射檢測器：粒子物理學知識也被廣泛用于輻射檢測器中，例如放射性物質的檢測與研究，以及在核事故等緊急現場檢測。這有助于人們在危險的環境中把控輻射情況，做好保障工作。
c. 其他方面：粒子物理學也被用于探測器的制造，包括探測器中跟蹤粒子和放射性元素的能力。此外，人們也在粒子束中探測物質的組分，比如對食品，水，空氣以及其它重要的生活和勞動環境的安全檢測。
4、材料科學
工業的發展需要更高性能的材料作為支持，如今，地球自然產生的材料已經遠遠達不到人類對多樣化材料的需求，小到手機外殼，大到高鐵飛機，對各種性能材料的需求與日俱增。新材料的發展需要對組成材料的基本粒子的性質有充分的認識，從粒子出發研發新材料是最干凈高效的，而且針對性極強。粒子物理學不斷地為材料科學領域的技術創新做出貢獻。通過精確控制材料的物態特性，調整材料的化學成分或表面結構，提高材料的性能，研究人員能夠開發更加智能更為健康的新材料，以適應未來的需求。
a. 材料性能改善：粒子物理學可以通過精確控制材料的物理結構和化學成分，改善材料性能。通過使用粒子束來改變材料表面的原子排列，可以增加某些特定性質，例如強度、硬度、抗腐蝕性和耐磨性等。
b. 化學合成與研發：粒子物理學在材料科學領域中對新材料的合成和研發有著重要的作用。通過使用粒子束轟擊材料，研制新型納米材料和復合材料，甚至可以制造出新的材料形態，推動了新材料研究和應用的不斷突破。
c. 表面修飾和涂層：粒子物理學可以用于表面的修飾和涂層，以提高某些物化性質，例如光學性能、導電性、涂層密度等，從而提高材料的性能。制備的材料在飛機、汽車、船舶等制造領域具有很高的研究應用和價值。
d. 密封和保護層改進：粒子物理學還可以用于制造防護層和密封層。例如，使用粒子束制造超硬，超密度和超抗腐蝕的防具，或設計出材料結構，來保護電腦芯片和其他電子設備免受水、灰塵和其它破壞性外界因素的影響。
04.
總結
粒子物理學技術在化學和物理學中有著廣泛的應用。例如，核化學、核催化、核藥物以及放射化學等領域都用到了粒子物理學的原理和技術。可以看到，粒子物理學不僅在科學領域有著重要的作用，也在醫學和工業等方面提供了許多創新的應用。粒子物理學家的努力為我們的生活貢獻了許多重要的科學技術，真正實現了“小粒子大作用”的目標，也為我們的未來提供了希望。
