物理研究熱點有哪些

① 高中物理研究性課題有哪些

高中物理研究性學習課題

高一上：

1、牛頓對經典力學的貢獻

2、生活中的物理

3、物體形狀對物體抗壓影響

4、剎車時車輪被抱死的利與弊。

5、研究「放大」作用的實現

6、關於籃球投籃問題的研究

7、關於數學知識在物理上的應用探索

8、人為什麼要有兩隻眼睛和耳朵？

9、自行車上的力學知識

10、諾貝獎中的物理學家的共性

11、高科技物理在生活中的應用

12、汽車中的物理學

13、牛頓的一生

14、物理與現代軍事科技

15、從伽利略望遠鏡到哈勃太空望遠鏡—人類對宇宙的認識史

16、鉛球比賽中拋擲最佳角分析

17、體育運動中的力學

18、關於足球弧線球的研究

19、「整體法」在物理學中的應用

20、小刀、菜刀、斧頭中的力學知識

21、「圖解法」題型歸類

22、歷史上的中國物理

23、高中物理學習困難調查

24、研製水「火箭」

25、自製孔明燈

26、力與生活

27、橋梁的研究

28、汽車加速性能的研究

高一下：

1、「神州號」宇宙飛船的發射回收過程

2、求力對物體做功的方法

3、「和平號」墜毀始末

4、高中物理學習困難調查

5、生活中的能的轉化

6、物理學習中常用的數學知識歸納

7、物體在通過彎道時傾斜的物理原理

8、淺談可再生能源

9、歷史上的中國物理

10、物理問題與模型

11、愛因斯坦的一生

12、自製孔明燈

13、宇航生活

14、太空梭

15、求力對物體做功的方法

16、男女生對高中物理的學習差異

17、關於籃球投籃問題的研究

18、鉛球比賽中拋擲最佳角分析

19、體育運動中的力學
20、關於足球弧線球的研究

21、關於宇宙形成學說的研究

22、能源的研究

23、從伽利略望遠鏡到哈勃太空望遠鏡——人類對宇宙的認識史

24、太陽能的利用

25、萬有引力與天體運動

26、如何安置軍事偵察衛星？

27、空間彎曲，時間倒流----愛因斯坦相對論

28、黑洞

29、火箭原理與空間探測

30、什麼是質量

高二上：

1、時代呼喚納米科技

2、「圖解法」題型歸類

3、有關超導體的知識

4、物理實驗中基本儀器的正確使用

5、生活中的電磁輻射

6、高中物理學習困難調查

7、自製火災報警器

8、樓道燈聲控開關的研製

9、無線電收音機的製作

10、手機輻射對人體的影響，如何減少手機污染？

11、紫外線產生、檢測和預報

12、關於潮汐發電的總結報告

13、節能燈的節能探究

14、研究材料的保溫性能

15、用電解法測定元電荷

16、自來水電阻率的測定

17、估測高壓鍋內的水溫

18、攝影技術（相機自備）

19、靜電對人體及動物機體的效應的研究

20、磁卡和IC卡

21、測定家用電器的電功率

22、對地磁場的分析與討論

23、靜電屏蔽與動電屏蔽的區別

24、唱片、磁帶、磁碟和光碟

25、射線的應用與防護 26、 核能的利用

② 冷原子物理有哪些研究熱點和難題

原子間的碰撞是原子能級的寬度增寬的主要因素。冷原子由於速度很小溫度很低，原子間的碰撞遠遠少於熱原子，因此能級寬度遠小於熱原子，具有更精確的原子能級結構和更窄的躍遷光譜，這對原子能級以及各種常數的精確測量具有重要意義。國際上已開展冷原子激光放大器的研究，獲得了線寬遠非常窄，單色性非常好的激光譜線。主要應用：冷原子鍾原子鍾的精度取決於原子能級的精確程度。目前原子鍾主要採用原子精細能級躍遷作為頻率標准。由於冷原子的能級精度遠遠優於熱原子，冷原子鍾會輸出更為精準的頻率，因此會將人類的時間精度大幅度提高，對人類的時間標准和距離標准起到革命性的改進，是未來全球定位系統和宇宙空間定位系統的核心技術。目前歐洲「伽利略」全球定位系統計劃決定逐步採用冷原子鍾，米國也計劃應用冷原子鍾來大幅度改善GPS系統的性能。冷原子鍾的研製將有著極其深遠的軍事和科技意義

③ 有什麼有趣的物理研究課題

1. 液體表面的張力
伽利略與亞里士多德的觀點辨析
2、牛頓對經典力學的貢獻
3、物理與詩書曲畫
4、成語中的物理哲理
5、生活中的物理
6、「整體法」在物理學中的應用
7、《牛頓運動定律》一章的題型解析
8、物理題中隱含條件的挖掘
9、求力對物體做功的方法
10、時代呼喚納米科技
11、「圖解法」題型歸類
12、GMm/R2=mg在高考題中的運用
13、有關超導體的知識
14、物理實驗中基本儀器的正確使用
15、生活中的電磁輻射
16、物理與化學的聯系
17、「神州號」宇宙飛船的發射回收過程
18、「和平號」墜毀始末
19、高中物理學習困難調查
20、生活中的能的轉化
21、從「石油文明」到「核文明」

22、物理學習中常用的數學知識歸納
2. 一．關於行星運動
1．開普勒三大定律的證明
2．行星運動與時間的關系（提示：用參數角）
二．關於導體
1．自由二次曲面導體的電容與其電荷分布
2．在勻強電場存在下的二次曲面導體的電荷分布
三．關於電阻無窮網路
這里包含一維無窮網路與二維三維無窮網路，不過在解決多維時最好看一下高等數學無窮級數中的傅立葉變換．
四．關於熱學
1．附加壓強與曲面曲率半徑的關系
2．學習一下熵，推出液體飽和蒸汽壓強與溫度的關系
3．學一下概率，推出麥克斯韋速度分布定律
五．關於近代物理與光學
1．推出相對論中的洛倫茲變換
2．了解四維矢量，能夠運用它解題
3．研究光學元件，推導出他們的成像公式，特別是阿貝正弦條件
4．了解量子力學，利用泡利不相容原理推出黑體輻射公式
5．學習一下偏微分方程的解法，最好能解決氫原子問題
這些都是我在高一高二研究的內容，主要是這幾個大方向，不過別急於求成，慢慢想辦法，這是鍛煉你的研究能力．
另外附帶，別聽樓上的話，量子力學一點都不簡單，不過稍微知道一下是不錯的．
如果單單說簡單的話可以嘗試數理結合方面的問題,比如說數學上的塞瓦定理你可以既用數學證明,也可以用物理上的質點的定義去證明;又比如說,到三角形三個頂點距離最短的點在哪裡,再物理上你可以嘗試一些物理模型,比如彈簧,或是橡皮繩,用能量最低原理進行證明,這就叫數理結和的方法,你可以嘗試一下.如果說要跟日常生活聯系起來,你可以研究一下自行車賽車上的變速器原理;或者乒乓球的運動,工地上的千斤頂.要說有趣的話,不妨研究一下,教室里日光燈在不同的擺動方向上的周期,然後給出理論上的解釋.

④ 2021年粒子物理學熱點回眸（下） | 回眸

繆子反常磁矩研究

繆子 是粒子物理標准模型的 第二代帶電輕子 ，在標准模型的發展中扮演著舉足輕重的角色。

繆子的磁矩與自旋具有一個比例系數 gμ ，根據狄拉克方程的預測， gμ 為2，然而由於量子漲落的存在， gμ 因子還需要進行 量子輻射修正 。

目前關於繆子磁矩的討論都圍繞此修正的大小進行，一般被稱為 反常磁矩 aμ 。

在標准模型的框架內，反常磁矩的計算一般被分成： 量子電動力學 、 電弱相互作用 、 強子真空極化 以及 強子光-光散射 。

反常磁矩的 首個量子電動力學修正計算 是由斯溫格在1948年針對電子完成，a=0.00116 0.1%。

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繆子反常磁矩首次被測量是在1957年。

李政道和楊振寧在1956年提出了「 在弱相互作用下宇稱不守恆 」，後萊德曼團隊在驗證宇稱不守恆的同時也間接獲得了 與零相符的一個實驗結果 ， aμ =0.0 0.1。

之後通過歐洲核子研究中心（CERN）的一系列實驗以及美國布魯克海文國家實驗室（BNL）的Muon g-2實驗的多年測量，其精度達到了 低於百萬分之一級別 的0.54 10^-6。

此時，基於標准模型的理論計算也已經達到了相當的精確度，但比測量值還要小2.7個標准偏差，暗示可能存在著 超越標准模型的新物理 。粒子物理的理論家和實驗家開展了一系列工作，希望可以進一步提高理論計算和實驗測量的精度。

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繆子反常磁矩的 大理論團隊 自2017年開始分別在美國、德國和日本等國家召開工作會議，在2020年中旬，發布了大家達成共識的理論值，此值和實驗值兩者之差已經達到了 3.7個標准偏差 。

實驗方面，從2009年起，便有2個團隊規劃利用2種不同的實驗方案提高測量精度，分別是 費米國家加速器實驗室 （簡稱費米實驗室）的 Muon g-2實驗 和 強流質子加速器研究聯合裝置 （簡稱J-PARC）的 Muon g-2/EDM實驗 。

費米實驗室研發了 性能更好 的電磁量能器和磁場測量核磁共振探針以及其他儀器的改良，而J-PARC採用的是不同的繆子動量、繆子束流的 儲存方法 以及衰變電子的 測量方法 。

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費米實驗室的Muon g-2合作組於2009年成立，2017年中旬完成實驗搭建之後，開始實驗試運行，最終 在2018年採集到第一批物理數據 （Run-1）。

反常磁矩的物理分析主要分成： 繆子自旋的反常進動頻率 ，通過測量正電子數量隨時間的振盪獲得； 儲存環的磁場分布 ，通過安裝在儲存環上下的核磁共振探針和在儲存繆子束流區域掃描的核磁共振探針台車獲得； 繆子束流在儲存環的時間和空間分布 ，通過徑跡探測器的測量和束流動力學模擬的對比獲得。

Run-1數據於2021年4月7日發表在《物理評論》系列期刊上， 精確度為迄今最好 ，結合BNL的測量值後，實驗理論差異則達到了 4.2個標准偏差 。

在費米實驗室發表結果的同時， 基於格點QCD計算強子真空極化（HVP）對反常磁矩貢獻 的BMWc團隊也在 Nature 發表了最新計算結果，表明理論實驗只有 1.6個標准偏差 的差異，且計算值與其他基於色散關系的理論值有 3.7個標准偏差 的差異。

目前其他格點QCD團隊正在驗證這一新結果的計算和系統誤差的估算，希望在近期可以解決理論值之間的矛盾。

費米實驗室的Muon g-2實驗目前正在採集 第5批數據 （Run-5），計劃至少還會運行1年，並且從Run-6開始轉向測量負繆子的反常磁矩。

此外，Muon g-2實驗的數據也可以用於尋找 繆子的電偶極矩 以及與繆子有耦合的 超輕暗物質 。

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與此同時，J-PARC的Muon g-2/EDM實驗也逐漸步入正軌，通過 產生繆子偶素 和 激光離子化 的方法產生冷繆子，然後對其進行反常磁矩精確測量。

在2018年實現了利用RF諧振腔加速繆子後，在 繆子偶素的生產額 、 繆子加速束流線 、 徑跡探測器模塊 等方面已經獲得重大進展。

該實驗計劃於2027年開始取數，以不同的測量方式互相驗證費米實驗室的測量結果。

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2021年是繆子物理非常重要的一個節點，預計2022年，美國和日本的反常磁矩實驗將取得更進一步的突破，為揭開繆子反常磁矩之謎做出貢獻。

重味與強子物理研究

在粒子物理標准模型中，三代輕子與規范玻色子具有相同的耦合強度，這被稱為「 輕子普適性 」。

檢驗重味強子衰變中的「輕子普適性」 ，是搜尋超出標准模型新物理的重要途徑之一。

B工廠 （Babar實驗與Belle實驗）此前檢驗了底介子 B +衰變中的輕子普適性，測量了所謂的「 RK 」， 未發現與標准模型預言偏離的跡象 。

LHCb實驗國際合作組 2014年發布的測量結果與標准模型預言有2.6倍標准差的偏離，2019年利用更多的數據提高測量精度後，仍有 2.5倍標准差的偏離 。

2021年，LHCb實驗國際合作組進一步提高了 RK 的測量精度，結果與標准模型預言有3.1倍標准差的偏離， 可能是新物理影響的跡象 。

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粒子物理標准模型中僅有4種可以 在正反物質粒子之間「振盪」 的粒子，而正反粒子「振盪」是 量子力學重要性質 的體現。

中性粲介子 D 0振盪頻率更小， 在實驗上難以測量 ，LHCb實驗國際合作組於2013年才在實驗上確立其振盪屬性。

2021年，LHCb實驗國際合作組測量了決定中性底介子振盪頻率的物理量——2個質量本徵態的質量差，這是實驗上 首次確立中性粲介子2個質量本徵態的質量差 。

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強子譜研究 可以幫助深入理解誇克模型和強相互作用，是粒子物理的前沿熱點課題。

繼2003年Belle實驗國際合作組發現 X (3872)粒子以來，實驗上發現了一系列的 奇特強子態 ，其中一些粒子帶電，不可能是傳統的電中性的重誇克偶素。

2021年，實驗上又發現了新型的奇特強子態，奇異隱粲四誇克態 Zcs (3985)， Zcs (4000)， Zcs (4220)和雙粲四誇克態

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北京譜儀III實驗國際合作組在

反應過程中，在

和

的質量閾值附近發現一個

增強結構 ，需要引入新的四誇克態候選者 Zcs (3985)來解釋。

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LHCb實驗國際合作組通過對底介子的衰變道進行振幅分析，在粲誇克偶素 J / ψ 和帶電 K 介子組合的不變質量譜中發現 明顯的增強結構 。進一步分析表明，該系統存在2個共振態結構 Zcs (4000)和 Zcs (4220)。

Zcs (4000)的質量與北京譜儀III實驗國際合作組發現的 Zcs (3985) 在誤差范圍內一致 ，而寬度大1個數量級，它們是否是同一個粒子，有待理論與實驗的進一步研究。

LHCb實驗國際合作組於2017年發現了雙粲重子

這一發現使得 對於含2個相同重味誇克的奇特態的研究 成為新一輪理論熱點。

在實驗方面，LHCb實驗國際合作組於2020年發現了由2對正反粲誇克組成的 X (6900)；2021年，在 D 0 D 0 π +的不變質量譜中發現一個 新的共振態 ，這是由 D *+介子與 D 0介子組成的分子態，還是緊致型四誇克態，有待理論與實驗的進一步研究。

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在 理解核子結構 方面，北京譜儀III實驗國際合作組對類時空間中子的電磁結構進行了精確測量，發現光子與質子耦合比光子與中子耦合更強，從而解決了長期存在的 光子-核子耦合反常問題 。

同時，北京譜儀III實驗國際合作組觀測到中子電磁形狀因子隨質心能量變化的 周期性振盪結構 ，其振盪頻率與質子相同，相位接近正交。暗示核子內部存在尚未理解的 動力學機制 ，有待理論與實驗進一步研究。

高能量前沿希格斯物理、

電弱物理與新物理尋找

希格斯玻色子是標准模型預言的 質量起源粒子 ，是電弱對稱性破壞機制的 理論基礎 ，同時也是標准模型中 最後一個被發現的粒子 。它的發現補全了標准模型的理論框架、提升了人類對於粒子物理微觀世界的認知。

在後希格斯發現時代， 精確測定希格斯粒子的性質 、研究希格斯粒子與其他標准模型粒子的 作用機制 以及通過希格斯作為探針來尋找 超越標准模型的新物理現象 成為高能量前沿對撞機實驗研究的核心之一。

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希格斯粒子的壽命很短，它的存在只能通過具體的 衰變末態 進行測量。

ATLAS與CMS國際實驗合作組基於LHC Run-2實驗數據，聯合希格斯的主要衰變道測量希格斯玻色子的主要產生模式的反應截面和衰變分支比，以及耦合參數等。

以ATLAS結果為例，最終全局擬合獲得希格斯粒子總體信號強度為1.06 0.06，測量誤差相比以前實驗結果有顯著的改善， 在誤差范圍內與標准模型預言吻合 ，是2021年度標准模型希格斯測量的重要代表性進展。

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雙希格斯過程 是LHC上希格斯產生的稀有過程，對於 探索 希格斯自耦和機制、研究希格斯勢的形狀、 探索 反常自耦和及雙希格斯超標准模型共振態新物理有著重要意義。

ATLAS與CMS合作組在該研究方向上深耕Run-2 13 TeV對撞數據，獲得了重要研究進展。

ATLAS標准模型雙希格斯聯合測量（a）與CMS雙希格斯共振態新物理最新實驗限制（b）

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此外， 希格斯衰變寬度與壽命測量及離殼衰變研究 至關重要。

CMS合作組基於希格斯雙Z玻色子衰變道，給出了離殼希格斯的實驗證據和希格斯寬度測量的最新結果， 與標准模型預言高度吻合 。

作為希格斯復雜衰變道的未來挑戰之一， 二代費米子湯川耦合研究 至關重要，繼希格斯繆子衰變道測量取得突破後，ATLAS於2021年完成了粲誇克衰變道的完整測量研究。

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ATLAS與CMS實驗中三玻色子產生過程與矢量玻色子散射過程探測器示意（a）三規范玻色子的強子衰變；（b）輕子衰變過程；（c）ZZ散射示意圖；（d）VV散射強子衰變示意圖

（1）CMS合作組在 W-玻色子衰變分支比精確測量 中取得重要突破，所獲結果首次超過LEP正負電子對撞機的高精度 歷史 結果。在電弱精確測量全局擬合中PDG2020指出了2倍標准偏差，有待實驗和理論的進一步論證。

（2）在 電弱稀有過程三規范玻色子產生 研究中，ATLAS和CMS合作組先後獲得研究突破，首次在實驗中觀測到三規范玻色子協同產生過程。

（3）在 矢量玻色子散射 （VBS）的研究中，ATLAS和CMS實驗進一步發現了 W +光子、 Z +光子末態和異號 WW 散射過程，並獲得具有很大挑戰性的 Z +光子散射過程中微子衰變道散射的首次發現。

（4）此外，ATLAS在 四頂誇克產生稀有過程測量 、CMS在 3 J / ψ 產生測量 等方向均有重要進展發表。

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在新物理現象的實驗尋找過程中，ATLAS與CMS實驗開展了廣泛的研究，目前 尚未發現足夠顯著的偏離標准模型的實驗跡象 ，相關工作為新物理理論的進一步研究提供了大量的實驗數據參考和檢驗，並為未來理論與實驗的發展發揮重要的指引與借鑒作用。

ATLAS與CMS實驗關於新物理尋找統計限制的部分結果展示

結論

2021年粒子物理研究領域熱點不斷，在多個研究方向取得了一系列令人矚目的研究成果。

目前中國與國際同行一起在粒子物理學科前沿開展全面而深入的理論與實驗研究，並進一步全面布局如江門中微子實驗、未來環形正負電子對撞機、超級陶粲工廠、中國電子離子對撞機等一系列緊跟學科前沿發展的基於加速器與非加速器裝置的 未來大科學設施 ，為解鎖宇宙物質構成之謎、聯系並探秘宏觀無窮大與微觀無窮小尺度的物理現象而不懈努力。

⑤ 凝聚態物理有哪些研究熱點和難題

從事凝聚態實驗方面的研究，主要是鐵電和多鐵材料方面的研究，但是這已經不是熱點了，我來簡單列下我認為實驗方面現在的研究熱點吧。

1. 最近及其火熱的trihalide perovskite. 不管是理論方面還是實驗方面研究的論文發表數目都是指數級別的增長。最新一期的science上面，居然有兩篇是實驗方面的Halide perovskite, 即將發表的一期science上面也有一篇（從science express可以看到）。

Perovsikite來源於最原始的氧化物 ABO3 結構，而在新的trihalide perovskite中，人們用Cl, I, F, 代替了氧位。A位和B位也可以做很多替換，甚至A位可以加入具有極化性質的化學分子. 這一系列的材料最新的特徵是可以作為solar cell的新體系的材料，很多科研都是著重於他們的光伏性質。但是他也是perovskite的一種，所以很多perovskite具有的性質都還沒有研究清楚（相信很快會有成果出來）。

2. Graphene 就不用多說了吧超級大熱點基本每一個有凝聚態實驗的物理系都會有專門的組在做這個。當然具體的問題是什麼我也不是很了解啦，可以參考wiki

Graphene

3. Topological insulator （拓撲絕緣體），這也是超級大熱點，由這個引出的各種新現象比如說上了新聞聯播的量子反常霍爾效應，由清華大學薛其坤教授領導的小組做出來的science級別的文章。當然這個拓撲絕緣體養活的不光是拓撲絕緣體本身，還有很多基於拓撲絕緣體的heterostructure，比如說Bi2Se3/NbSe2，以及各種interface的新現象。同樣，有凝聚態實驗的物理系，都會有專門負責用MBE生長topological insulator的組。

⑥ 凝聚態物理學的研究熱點

凝聚態物理學的研究熱點：①1984年發現准晶態；②1986年發現高溫超導體YBaCuO2（釔鋇銅氧化物）；③1984年建立納米科學；④1992年發現材料LaSrMnO3的巨磁阻效應；⑤2001年發現新的高溫超導材料MgB2。

⑦ 物理化學近年學術熱點

高分子化學是近年來的研究熱點，將來可能用於防毒殺菌、高分子液晶材料等方面
太陽能轉換,光催化,尤其是有機污染水光催化處理等的研究也是近年來化學領域的熱點
，物理方面納米材料和技術正成為世界范圍內的研究熱點。達到nm級的超細微粒具有巨大的比表面積,因而具有許多獨特的表面效應,成為新材料和多相催化方面的研究熱點

⑧ 國際物理學現在最前沿的是研究什麼

凝聚態
一般來說主流的，占據物理學家中大多數的，都是屬於凝聚態，研究內容主要但不限於固體材料，我所聽聞比較多的研究是拓撲絕緣體 超導 量子霍爾效應 graphen 量子器件 半導體 納米材料 等 這幾年特別熱門的應該是graphen和拓撲絕緣體。

高能物理
粒子物理之類的都應該歸在這個方向吧
弦論什麼的。
國內做高能物理理論的以做粒子物理唯象的比較多，就是不太研究引力，主要研究強弱電磁這三種相互作用，和對撞機實驗結合。
不過楊老唱衰高能物理，因為現在的觀測都符合理論，沒有什麼新東西了

量子信息
研究量子加密量子計算量子通訊等
此外因為要在材料上實現量子計算機，所以和凝聚態也有交叉。比如量子器件做量子計算機應該也可以算這個方向 又算凝聚態方向。

還有天體物理等等不太了解的方向

⑨ 2021年粒子物理學熱點回眸（上） | 回眸

隨著理論和實驗的不斷發展，物理學家逐步建立了粒子物理的「 標准模型 」。

在這個模型下，整個宇宙的基本粒子分為4類，分別是 誇克 、 輕子 、 矢量玻色子 和 標量希格斯粒子 。

其中，矢量玻色子是相互作用的 媒介子 ，通過規范作用傳遞著基本粒子之間的強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。

所有的基本粒子通過和希格斯子發生 相互作用 而獲得質量。隨著2012年希格斯粒子 在實驗中發現 ，粒子物理標准模型完成最後一塊「拼圖」，證明了標准模型的巨大成功。

但是目前宇宙中仍然有許多標准模型解釋不了的問題，表明 粒子物理標准模型並不是「終極」理論 ，而是電弱能標下的「有效」理論，仍然有超出標准模型的新物理亟待去發掘，這也是當前粒子物理學界的主要研究內容。

暗物質研究

暗物質超出了粒子物理標准模型，是當今物理學和天文學亟待解決的重大問題，在 實驗中探測到暗物質並研究其物理屬性 ，將是物理學的重大突破。

暗物質實驗探測有3個主要方向—— 直接探測 、 間接探測 和 對撞機探測 。

國際新一代暗物質直接探測實驗 PandaX-4T 4t級液氙實驗 率先投入運行，取得大質量暗物質世界最強的限制。

間接探測包括暗物質粒子探測（ DAMPE ）和 AMS-02空間實驗 積累了更多數據，給出更加精確的測量。

歐洲核子研究中心大型強子對撞機 LHC 上的暗物質尋找不斷深入更加復雜的參數空間，並為即將開始的Run-3階段取數做准備。

中國錦屏地下實驗室（CJPL） 是世界上最深的實驗室，有效屏蔽了來自宇宙線的干擾，提供了極其優越的實驗環境，中國開展了 PandaX液氙實驗 和 CDEX高純鍺實驗 直接探測暗物質。

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近20年來，位於義大利的 DAMA/LIBRA實驗 一直宣稱觀測到暗物質在NaI(Tl)晶體中產生的 年調制信號 ，然而相應的暗物質信號參數被各種類型的直接探測實驗所排除。

為了更加確切地檢驗這個疑似信號，國際上試圖用同樣的低本底NaI(Tl)晶體開展實驗。

2021年5月，西班牙 Canfrac地下實驗室 採用112.5 kg的低本底NaI(Tl)晶體探測器的ANAIS實驗公布了3年曝光量的探測結果，並 沒有發現顯著年調制現象 。預計到2022年底，該實驗將有超過3倍標准偏差靈敏的曝光量，可以給出更加確切的結論。

另一個採用106 kg低本底NaI(Tl)晶體的 COSINE-100實驗 ，在韓國Yangyang地下實驗室1.7 a曝光量的數據，也 沒有發現顯著的年調制現象 。

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2020年，位於義大利Gran Sasso地下實驗室的 XENON1T液氙實驗 在0.65 t·a曝光量的低能量電子反沖數據中，觀測到了 大於3倍標准偏差的疑似信號 ，引起了暗物質理論和實驗研究領域的廣泛關注，亟需 同類型實驗的進一步檢驗 。

中國 PandaX-II二期580 kg級液氙實驗 積累了100 t·d的曝光量數據，直接從刻度數據中獲取了 氙中主要的放射性雜質本底的特徵譜 ，進而根據這些高可靠性的本底特徵譜對電子反沖數據進行分析。

PandaX-II的結果顯示，XENON1T觀測的疑似信號 和當前數據並不矛盾 ，還需要提高數據統計量和探測靈敏度以給出確定性結論。

PandaX-II實驗對軸子暗物質耦合常數（a）和中微子反常磁矩（b）的排除限，和XENON1T的疑似信號並不矛盾

國際上開展了多種類型暗物質探測的實驗升級和研發，3個以液氙作為靶物質的實驗，位於中國的PandaX-4T、歐洲的XENONnT和美國的LZ實驗，將探測體量提升到了多噸級，預期能夠 將探測靈敏度比之前提升1個數量級以上 。

其中， PandaX-4T液氙實驗 在2020年底完成安裝和調試，成為國際上首個投入運行的 多噸級液氙探測實驗 ，在2021年上半年試運行的曝光量達到0.63 t·a。

PandaX-4T探測器中應用了一系列新技術：研製了 新一代超大尺寸高透光的時間投影室探測器 ，大幅提高了探測器電場的均勻性和電子信號放大率，實現高解析度的信號重建；採用了 無觸發數據讀出方式 ，有效降低了微弱信號的探測閾值；研製了 新型低溫精餾氙系統 ，成功提純6 t原料氙，將放射性雜質氪85的含量降低到PandaX-II時的1/20；有效利用液氙自屏蔽並結合多種放射性測量方法和表面清洗工藝，將單位探測靶中放射性本底降低到1/20，放射性雜質氡222的含量降低到1/6。

PandaX-4T首批數據的探測靈敏度較PandaX-II 提升了2.6倍 ，給出了大質量暗物質和原子核自旋無關散射截面世界最強的限制。

PandaX-4T首批數據

對暗物質自旋無關散射截面的排除限

黃色區域為「中微子地板」，即探測靈敏度可以探測到太陽或大氣中微子在探測器中的信號貢獻

這批數據也顯示，在暗物質質量10 GeV/ c 2附近區域，PandaX-4T實驗開始觸碰到所謂的「 中微子地板 」，即有可能探測到太陽中核聚變產生的硼8中微子同氙原子核的 相干散射信號 ，這種散射將是未來探測中微子的一個重要途徑。

與此同時，國際上開始計劃 幾十噸級「終極」液氙探測實驗 ，其中一個目標是將暗物質探測靈敏度推進到「中微子地板」。PandaX實驗團隊已經開展了相應的關鍵技術研發。

以液氬為靶物質 的探測器對大質量暗物質也有獨特的探測靈敏度，幾十噸級的低本底氬探測器的研發也在持續推進中。

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中國CDEX實驗利用 點電極高純鍺探測器 ，可實現 低能量閾值的探測 ，對輕質量暗物質具有高靈敏度。

2021年CDEX實驗公布了利用942.5 kg·d曝光量的數據尋找有效場暗物質信號的結果。

直接探測實驗中，暗物質和靶物質相互作用轉移動量小，可以 用有效場算符的形式系統地研究 ，從而實現較為全面的覆蓋多種可能的暗物質理論模型。

在分析中，CDEX實驗將探測閾值降低到160 eV，針對小質量暗物質，系統性地給出了 非相對論下 多種類型有效場模型的耦合常數上限。

同時，利用 手征有效場理論 ，獲得了6 GeV/ c 2質量以下世界最強的WIMP與pion介子散射截面的排除限。

目前CDEX實驗正在開展50 kg級高純鍺探測陣列實驗的研發，預期將探測靈敏度 提高2個數量級以上 。

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針對 小質量暗物質 ，直接探測實驗也嘗試不同探測方案來突破探測閾值的限制。

液氙探測實驗 通過獨立電離電子信號（S2-only）、Migdal或韌致輻射等次級效應來尋找小質量暗物質。

如 PandaX實驗 在2021年初發表的S2-only數據分析結果，尋找暗物質和電子散射信號，在15~30 MeV/ c 2暗物質質量區間給出世界最強的 散射截面限制 。

SENSEI實驗 採用了約2 g的高阻抗Skipper-CCD，在2020年底發表了24 d運行數據的結果，給出0.5~10 MeV/ c 2質量的暗物質和電子散射信號世界最強的限制，以及1.2~12.8 eV/ c 2質量的暗光子世界最強的限制。

SENSEI實驗正在組裝測試100 g探測模塊，將 大幅度提升該質量范圍的暗物質探測靈敏度 。

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在 暗物質間接探測 方面，中國暗物質探測衛星 DAMPE實驗 和位於國際空間站的 AMS-02實驗 繼續積累數據。

2021年發表了AMS-02實驗運行7 a以來的物理數據，給出 更加精確 的反電子、反質子等測量結果。

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在 對撞機探測 方面， 大型強子對撞機LHC 上的 ATLAS 和 CMS 實驗不斷深入分析Run-2運行時期的全部數據，尋找 暗物質產生過程 以及 中間傳播子信號 。

對撞機探測不受原子核自旋大小的壓制，通過尋找誇克或者膠子湮滅產生暗物質的過程，以及通過雙噴注共振峰直接尋找軸矢量中間傳播子，在一定的耦合常數下，可以 有效補充直接探測實驗的結果 。

對撞機實驗同時在尋找一些 復雜過程的暗物質模型 ，其中， 暗希格斯子模型 認為暗物質的質量起源有可能也存在類似希格斯子的破缺機制——暗希格斯子，暗希格斯子可以有和希格斯子類似的衰變過程。

ATLAS實驗在2021年發表了 首個暗希格斯子衰變到2個矢量玻色子最終態的尋找結果 ，對中間傳播子和暗希格斯子質量給出了限制。

LHC第三期取數Run-3即將開始，將累計更多的數據量進一步掃描多種暗物質產生模型。

中微子和粒子天體物理研究

粒子天體物理和粒子物理研究緊密聯系， 宇宙線 具有地球上人造加速器無法達到的高能量，為我們認識極端高能物理過程、尋找新物理提供了寶貴的物質樣本。

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2021年粒子天體物理領域最顯著的成果來自中國國家重大 科技 基礎設施—— 高海拔宇宙線觀測站LHAASO 。

LHAASO於2021年完成建設並順利通過工藝驗收，正式進入科學運行階段，以前所未有的靈敏度開展 伽馬射線、宇宙線巡天觀測 。

在建設期間，基於1/2陣列數據，LHAASO合作組發布了首批觀測結果：發現 銀河系中大量超高能宇宙加速器 ，為尋找河內宇宙線起源做出了重要推進；記錄到 能量達1.4 PeV的伽馬射線光子 ，這是人類迄今為止觀測到的最高能量光子，開創了超高能伽馬射線這一嶄新的天文窗口。

蟹狀星雲 是首批發現的12個超高能伽馬射線源之一，一直作為伽馬射線天文學的「標准燭光」，LHAASO的最新結果為此「標准燭光」 在超高能波段設定了亮度標准 。

LHAASO觀測到來自蟹狀星雲方向的0.88 PeV伽馬射線光子

這些超高能伽馬射線輻射產生PeV以上能段的電子，接近經典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限， 對現有的粒子加速理論提出了嚴峻挑戰 。

未來幾年，LHAASO將持續對北天區開展巡天觀測，掃描伽馬射線源並精確測量「膝」區宇宙線能譜， 沖擊宇宙線起源的世紀之謎 。

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另一種來自宇宙深處的重要物質樣本是 高能中微子 。

2021年，位於南極冰層中的冰立方中微子天文台公布了首個 格拉肖共振事件 ——格拉肖預言，反電子中微子可與電子相互作用生成W-玻色子。產生格拉肖共振的中微子峰值能量為6.3 PeV，可 從極端天體環境中得到 。

冰立方在此次簇射事例中測得6.05 0.72 PeV的能量，考慮到簇射中的不可見能量，中微子能量被修正為約6.3 PeV；事例中測到次級繆子的信號預示著 W-玻色子的強子衰變過程 ，為格拉肖共振提供了進一步證據。

冰立方的格拉肖共振事件再次驗證了粒子物理標准模型， 揭示了天體反電子中微子的存在 。

對格拉肖共振事件的觀測有望對天體中微子的產生機製做出限制。

未來幾年是中微子天文學發展的關鍵時刻，國內外多個實驗組提出了冰層、海洋、湖泊中的多種 下一代中微子望遠鏡方案 ，結合伽馬射線、宇宙線、引力波的觀測數據開展多信使天文學研究。

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在 超出標准三味中微子模型的新物理尋找 方面，位於美國費米國家加速實驗室的MicroBooNE實驗發布了新的測量結果，沒有找到惰性中微子存在的跡象。

此前，LSND、MiniBooNE等 短基線實驗 相繼發現中微子的數量異常，引入第四種中微子—— 惰性中微子 。

MicroBooNE實驗沒有找到惰性中微子，表明其中的差異還需要進一步研究，中微子數量異常仍然是未解之謎。

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2021年，國際 無中微子雙貝塔衰變實驗 方向發展勢頭迅猛。

大型實驗 中，CUORE和Kam⁃LAND-ZEN實驗分別繼續取數，GERDA的繼任實驗LEGEND-200即將開始運行。

國內無中微子雙貝塔衰變實驗在最近幾年蓬勃發展，多個實驗組提出了多種不同的實驗方案，再次彰顯了 馬約拉納中微子 這一問題的重要性和顯著度。

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2021年， 中國江門中微子實驗 的建設進展順利，預期2023年開始取數，劍指中微子質量順序、中微子混合參數的精確測量，有望率先獲得具有國際競爭力的實驗成果。

明天將介紹繆子反常磁矩研究、重味與強子物理研究、高能量前沿希格斯物理、電弱物理與新物理尋找這3個領域的進展，敬請關注！

論文全文發表於《 科技 導報》2022年第1期，原標題為《2021年粒子物理學熱點回眸》，本文有刪減，歡迎訂閱查看。