物理研究热点有哪些

① 高中物理研究性课题有哪些

高中物理研究性学习课题

高一上：

1、牛顿对经典力学的贡献

2、生活中的物理

3、物体形状对物体抗压影响

4、刹车时车轮被抱死的利与弊。

5、研究“放大”作用的实现

6、关于篮球投篮问题的研究

7、关于数学知识在物理上的应用探索

8、人为什么要有两只眼睛和耳朵？

9、自行车上的力学知识

10、诺贝奖中的物理学家的共性

11、高科技物理在生活中的应用

12、汽车中的物理学

13、牛顿的一生

14、物理与现代军事科技

15、从伽利略望远镜到哈勃太空望远镜—人类对宇宙的认识史

16、铅球比赛中抛掷最佳角分析

17、体育运动中的力学

18、关于足球弧线球的研究

19、“整体法”在物理学中的应用

20、小刀、菜刀、斧头中的力学知识

21、“图解法”题型归类

22、历史上的中国物理

23、高中物理学习困难调查

24、研制水“火箭”

25、自制孔明灯

26、力与生活

27、桥梁的研究

28、汽车加速性能的研究

高一下：

1、“神州号”宇宙飞船的发射回收过程

2、求力对物体做功的方法

3、“和平号”坠毁始末

4、高中物理学习困难调查

5、生活中的能的转化

6、物理学习中常用的数学知识归纳

7、物体在通过弯道时倾斜的物理原理

8、浅谈可再生能源

9、历史上的中国物理

10、物理问题与模型

11、爱因斯坦的一生

12、自制孔明灯

13、宇航生活

14、航天飞机

15、求力对物体做功的方法

16、男女生对高中物理的学习差异

17、关于篮球投篮问题的研究

18、铅球比赛中抛掷最佳角分析

19、体育运动中的力学
20、关于足球弧线球的研究

21、关于宇宙形成学说的研究

22、能源的研究

23、从伽利略望远镜到哈勃太空望远镜——人类对宇宙的认识史

24、太阳能的利用

25、万有引力与天体运动

26、如何安置军事侦察卫星？

27、空间弯曲，时间倒流----爱因斯坦相对论

28、黑洞

29、火箭原理与空间探测

30、什么是质量

高二上：

1、时代呼唤纳米科技

2、“图解法”题型归类

3、有关超导体的知识

4、物理实验中基本仪器的正确使用

5、生活中的电磁辐射

6、高中物理学习困难调查

7、自制火灾报警器

8、楼道灯声控开关的研制

9、无线电收音机的制作

10、手机辐射对人体的影响，如何减少手机污染？

11、紫外线产生、检测和预报

12、关于潮汐发电的总结报告

13、节能灯的节能探究

14、研究材料的保温性能

15、用电解法测定元电荷

16、自来水电阻率的测定

17、估测高压锅内的水温

18、摄影技术（相机自备）

19、静电对人体及动物机体的效应的研究

20、磁卡和IC卡

21、测定家用电器的电功率

22、对地磁场的分析与讨论

23、静电屏蔽与动电屏蔽的区别

24、唱片、磁带、磁盘和光盘

25、射线的应用与防护 26、 核能的利用

② 冷原子物理有哪些研究热点和难题

原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的主要因素。冷原子由于速度很小温度很低，原子间的碰撞远远少于热原子，因此能级宽度远小于热原子，具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱，这对原子能级以及各种常数的精确测量具有重要意义。国际上已开展冷原子激光放大器的研究，获得了线宽远非常窄，单色性非常好的激光谱线。主要应用：冷原子钟原子钟的精度取决于原子能级的精确程度。目前原子钟主要采用原子精细能级跃迁作为频率标准。由于冷原子的能级精度远远优于热原子，冷原子钟会输出更为精准的频率，因此会将人类的时间精度大幅度提高，对人类的时间标准和距离标准起到革命性的改进，是未来全球定位系统和宇宙空间定位系统的核心技术。目前欧洲“伽利略”全球定位系统计划决定逐步采用冷原子钟，米国也计划应用冷原子钟来大幅度改善GPS系统的性能。冷原子钟的研制将有着极其深远的军事和科技意义

③ 有什么有趣的物理研究课题

1. 液体表面的张力
伽利略与亚里士多德的观点辨析
2、牛顿对经典力学的贡献
3、物理与诗书曲画
4、成语中的物理哲理
5、生活中的物理
6、“整体法”在物理学中的应用
7、《牛顿运动定律》一章的题型解析
8、物理题中隐含条件的挖掘
9、求力对物体做功的方法
10、时代呼唤纳米科技
11、“图解法”题型归类
12、GMm/R2=mg在高考题中的运用
13、有关超导体的知识
14、物理实验中基本仪器的正确使用
15、生活中的电磁辐射
16、物理与化学的联系
17、“神州号”宇宙飞船的发射回收过程
18、“和平号”坠毁始末
19、高中物理学习困难调查
20、生活中的能的转化
21、从“石油文明”到“核文明”

22、物理学习中常用的数学知识归纳
2. 一．关于行星运动
1．开普勒三大定律的证明
2．行星运动与时间的关系（提示：用参数角）
二．关于导体
1．自由二次曲面导体的电容与其电荷分布
2．在匀强电场存在下的二次曲面导体的电荷分布
三．关于电阻无穷网络
这里包含一维无穷网络与二维三维无穷网络，不过在解决多维时最好看一下高等数学无穷级数中的傅立叶变换．
四．关于热学
1．附加压强与曲面曲率半径的关系
2．学习一下熵，推出液体饱和蒸汽压强与温度的关系
3．学一下概率，推出麦克斯韦速度分布定律
五．关于近代物理与光学
1．推出相对论中的洛伦兹变换
2．了解四维矢量，能够运用它解题
3．研究光学元件，推导出他们的成像公式，特别是阿贝正弦条件
4．了解量子力学，利用泡利不相容原理推出黑体辐射公式
5．学习一下偏微分方程的解法，最好能解决氢原子问题
这些都是我在高一高二研究的内容，主要是这几个大方向，不过别急于求成，慢慢想办法，这是锻炼你的研究能力．
另外附带，别听楼上的话，量子力学一点都不简单，不过稍微知道一下是不错的．
如果单单说简单的话可以尝试数理结合方面的问题,比如说数学上的塞瓦定理你可以既用数学证明,也可以用物理上的质点的定义去证明;又比如说,到三角形三个顶点距离最短的点在哪里,再物理上你可以尝试一些物理模型,比如弹簧,或是橡皮绳,用能量最低原理进行证明,这就叫数理结和的方法,你可以尝试一下.如果说要跟日常生活联系起来,你可以研究一下自行车赛车上的变速器原理;或者乒乓球的运动,工地上的千斤顶.要说有趣的话,不妨研究一下,教室里日光灯在不同的摆动方向上的周期,然后给出理论上的解释.

④ 2021年粒子物理学热点回眸（下） | 回眸

缪子反常磁矩研究

缪子 是粒子物理标准模型的 第二代带电轻子 ，在标准模型的发展中扮演着举足轻重的角色。

缪子的磁矩与自旋具有一个比例系数 gμ ，根据狄拉克方程的预测， gμ 为2，然而由于量子涨落的存在， gμ 因子还需要进行 量子辐射修正 。

目前关于缪子磁矩的讨论都围绕此修正的大小进行，一般被称为 反常磁矩 aμ 。

在标准模型的框架内，反常磁矩的计算一般被分成： 量子电动力学 、 电弱相互作用 、 强子真空极化 以及 强子光-光散射 。

反常磁矩的 首个量子电动力学修正计算 是由斯温格在1948年针对电子完成，a=0.00116 0.1%。

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缪子反常磁矩首次被测量是在1957年。

李政道和杨振宁在1956年提出了“ 在弱相互作用下宇称不守恒 ”，后莱德曼团队在验证宇称不守恒的同时也间接获得了 与零相符的一个实验结果 ， aμ =0.0 0.1。

之后通过欧洲核子研究中心（CERN）的一系列实验以及美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的Muon g-2实验的多年测量，其精度达到了 低于百万分之一级别 的0.54 10^-6。

此时，基于标准模型的理论计算也已经达到了相当的精确度，但比测量值还要小2.7个标准偏差，暗示可能存在着 超越标准模型的新物理 。粒子物理的理论家和实验家开展了一系列工作，希望可以进一步提高理论计算和实验测量的精度。

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缪子反常磁矩的 大理论团队 自2017年开始分别在美国、德国和日本等国家召开工作会议，在2020年中旬，发布了大家达成共识的理论值，此值和实验值两者之差已经达到了 3.7个标准偏差 。

实验方面，从2009年起，便有2个团队规划利用2种不同的实验方案提高测量精度，分别是 费米国家加速器实验室 （简称费米实验室）的 Muon g-2实验 和 强流质子加速器研究联合装置 （简称J-PARC）的 Muon g-2/EDM实验 。

费米实验室研发了 性能更好 的电磁量能器和磁场测量核磁共振探针以及其他仪器的改良，而J-PARC采用的是不同的缪子动量、缪子束流的 储存方法 以及衰变电子的 测量方法 。

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费米实验室的Muon g-2合作组于2009年成立，2017年中旬完成实验搭建之后，开始实验试运行，最终 在2018年采集到第一批物理数据 （Run-1）。

反常磁矩的物理分析主要分成： 缪子自旋的反常进动频率 ，通过测量正电子数量随时间的振荡获得； 储存环的磁场分布 ，通过安装在储存环上下的核磁共振探针和在储存缪子束流区域扫描的核磁共振探针台车获得； 缪子束流在储存环的时间和空间分布 ，通过径迹探测器的测量和束流动力学模拟的对比获得。

Run-1数据于2021年4月7日发表在《物理评论》系列期刊上， 精确度为迄今最好 ，结合BNL的测量值后，实验理论差异则达到了 4.2个标准偏差 。

在费米实验室发表结果的同时， 基于格点QCD计算强子真空极化（HVP）对反常磁矩贡献 的BMWc团队也在 Nature 发表了最新计算结果，表明理论实验只有 1.6个标准偏差 的差异，且计算值与其他基于色散关系的理论值有 3.7个标准偏差 的差异。

目前其他格点QCD团队正在验证这一新结果的计算和系统误差的估算，希望在近期可以解决理论值之间的矛盾。

费米实验室的Muon g-2实验目前正在采集 第5批数据 （Run-5），计划至少还会运行1年，并且从Run-6开始转向测量负缪子的反常磁矩。

此外，Muon g-2实验的数据也可以用于寻找 缪子的电偶极矩 以及与缪子有耦合的 超轻暗物质 。

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与此同时，J-PARC的Muon g-2/EDM实验也逐渐步入正轨，通过 产生缪子偶素 和 激光离子化 的方法产生冷缪子，然后对其进行反常磁矩精确测量。

在2018年实现了利用RF谐振腔加速缪子后，在 缪子偶素的生产额 、 缪子加速束流线 、 径迹探测器模块 等方面已经获得重大进展。

该实验计划于2027年开始取数，以不同的测量方式互相验证费米实验室的测量结果。

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2021年是缪子物理非常重要的一个节点，预计2022年，美国和日本的反常磁矩实验将取得更进一步的突破，为揭开缪子反常磁矩之谜做出贡献。

重味与强子物理研究

在粒子物理标准模型中，三代轻子与规范玻色子具有相同的耦合强度，这被称为“ 轻子普适性 ”。

检验重味强子衰变中的“轻子普适性” ，是搜寻超出标准模型新物理的重要途径之一。

B工厂 （Babar实验与Belle实验）此前检验了底介子 B +衰变中的轻子普适性，测量了所谓的“ RK ”， 未发现与标准模型预言偏离的迹象 。

LHCb实验国际合作组 2014年发布的测量结果与标准模型预言有2.6倍标准差的偏离，2019年利用更多的数据提高测量精度后，仍有 2.5倍标准差的偏离 。

2021年，LHCb实验国际合作组进一步提高了 RK 的测量精度，结果与标准模型预言有3.1倍标准差的偏离， 可能是新物理影响的迹象 。

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粒子物理标准模型中仅有4种可以 在正反物质粒子之间“振荡” 的粒子，而正反粒子“振荡”是 量子力学重要性质 的体现。

中性粲介子 D 0振荡频率更小， 在实验上难以测量 ，LHCb实验国际合作组于2013年才在实验上确立其振荡属性。

2021年，LHCb实验国际合作组测量了决定中性底介子振荡频率的物理量——2个质量本征态的质量差，这是实验上 首次确立中性粲介子2个质量本征态的质量差 。

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强子谱研究 可以帮助深入理解夸克模型和强相互作用，是粒子物理的前沿热点课题。

继2003年Belle实验国际合作组发现 X (3872)粒子以来，实验上发现了一系列的 奇特强子态 ，其中一些粒子带电，不可能是传统的电中性的重夸克偶素。

2021年，实验上又发现了新型的奇特强子态，奇异隐粲四夸克态 Zcs (3985)， Zcs (4000)， Zcs (4220)和双粲四夸克态

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北京谱仪III实验国际合作组在

反应过程中，在

和

的质量阈值附近发现一个

增强结构 ，需要引入新的四夸克态候选者 Zcs (3985)来解释。

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LHCb实验国际合作组通过对底介子的衰变道进行振幅分析，在粲夸克偶素 J / ψ 和带电 K 介子组合的不变质量谱中发现 明显的增强结构 。进一步分析表明，该系统存在2个共振态结构 Zcs (4000)和 Zcs (4220)。

Zcs (4000)的质量与北京谱仪III实验国际合作组发现的 Zcs (3985) 在误差范围内一致 ，而宽度大1个数量级，它们是否是同一个粒子，有待理论与实验的进一步研究。

LHCb实验国际合作组于2017年发现了双粲重子

这一发现使得 对于含2个相同重味夸克的奇特态的研究 成为新一轮理论热点。

在实验方面，LHCb实验国际合作组于2020年发现了由2对正反粲夸克组成的 X (6900)；2021年，在 D 0 D 0 π +的不变质量谱中发现一个 新的共振态 ，这是由 D *+介子与 D 0介子组成的分子态，还是紧致型四夸克态，有待理论与实验的进一步研究。

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在 理解核子结构 方面，北京谱仪III实验国际合作组对类时空间中子的电磁结构进行了精确测量，发现光子与质子耦合比光子与中子耦合更强，从而解决了长期存在的 光子-核子耦合反常问题 。

同时，北京谱仪III实验国际合作组观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的 周期性振荡结构 ，其振荡频率与质子相同，相位接近正交。暗示核子内部存在尚未理解的 动力学机制 ，有待理论与实验进一步研究。

高能量前沿希格斯物理、

电弱物理与新物理寻找

希格斯玻色子是标准模型预言的 质量起源粒子 ，是电弱对称性破坏机制的 理论基础 ，同时也是标准模型中 最后一个被发现的粒子 。它的发现补全了标准模型的理论框架、提升了人类对于粒子物理微观世界的认知。

在后希格斯发现时代， 精确测定希格斯粒子的性质 、研究希格斯粒子与其他标准模型粒子的 作用机制 以及通过希格斯作为探针来寻找 超越标准模型的新物理现象 成为高能量前沿对撞机实验研究的核心之一。

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希格斯粒子的寿命很短，它的存在只能通过具体的 衰变末态 进行测量。

ATLAS与CMS国际实验合作组基于LHC Run-2实验数据，联合希格斯的主要衰变道测量希格斯玻色子的主要产生模式的反应截面和衰变分支比，以及耦合参数等。

以ATLAS结果为例，最终全局拟合获得希格斯粒子总体信号强度为1.06 0.06，测量误差相比以前实验结果有显着的改善， 在误差范围内与标准模型预言吻合 ，是2021年度标准模型希格斯测量的重要代表性进展。

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双希格斯过程 是LHC上希格斯产生的稀有过程，对于 探索 希格斯自耦和机制、研究希格斯势的形状、 探索 反常自耦和及双希格斯超标准模型共振态新物理有着重要意义。

ATLAS与CMS合作组在该研究方向上深耕Run-2 13 TeV对撞数据，获得了重要研究进展。

ATLAS标准模型双希格斯联合测量（a）与CMS双希格斯共振态新物理最新实验限制（b）

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此外， 希格斯衰变宽度与寿命测量及离壳衰变研究 至关重要。

CMS合作组基于希格斯双Z玻色子衰变道，给出了离壳希格斯的实验证据和希格斯宽度测量的最新结果， 与标准模型预言高度吻合 。

作为希格斯复杂衰变道的未来挑战之一， 二代费米子汤川耦合研究 至关重要，继希格斯缪子衰变道测量取得突破后，ATLAS于2021年完成了粲夸克衰变道的完整测量研究。

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ATLAS与CMS实验中三玻色子产生过程与矢量玻色子散射过程探测器示意（a）三规范玻色子的强子衰变；（b）轻子衰变过程；（c）ZZ散射示意图；（d）VV散射强子衰变示意图

（1）CMS合作组在 W-玻色子衰变分支比精确测量 中取得重要突破，所获结果首次超过LEP正负电子对撞机的高精度 历史 结果。在电弱精确测量全局拟合中PDG2020指出了2倍标准偏差，有待实验和理论的进一步论证。

（2）在 电弱稀有过程三规范玻色子产生 研究中，ATLAS和CMS合作组先后获得研究突破，首次在实验中观测到三规范玻色子协同产生过程。

（3）在 矢量玻色子散射 （VBS）的研究中，ATLAS和CMS实验进一步发现了 W +光子、 Z +光子末态和异号 WW 散射过程，并获得具有很大挑战性的 Z +光子散射过程中微子衰变道散射的首次发现。

（4）此外，ATLAS在 四顶夸克产生稀有过程测量 、CMS在 3 J / ψ 产生测量 等方向均有重要进展发表。

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在新物理现象的实验寻找过程中，ATLAS与CMS实验开展了广泛的研究，目前 尚未发现足够显着的偏离标准模型的实验迹象 ，相关工作为新物理理论的进一步研究提供了大量的实验数据参考和检验，并为未来理论与实验的发展发挥重要的指引与借鉴作用。

ATLAS与CMS实验关于新物理寻找统计限制的部分结果展示

结论

2021年粒子物理研究领域热点不断，在多个研究方向取得了一系列令人瞩目的研究成果。

目前中国与国际同行一起在粒子物理学科前沿开展全面而深入的理论与实验研究，并进一步全面布局如江门中微子实验、未来环形正负电子对撞机、超级陶粲工厂、中国电子离子对撞机等一系列紧跟学科前沿发展的基于加速器与非加速器装置的 未来大科学设施 ，为解锁宇宙物质构成之谜、联系并探秘宏观无穷大与微观无穷小尺度的物理现象而不懈努力。

⑤ 凝聚态物理有哪些研究热点和难题

从事凝聚态实验方面的研究，主要是铁电和多铁材料方面的研究，但是这已经不是热点了，我来简单列下我认为实验方面现在的研究热点吧。

1. 最近及其火热的trihalide perovskite. 不管是理论方面还是实验方面研究的论文发表数目都是指数级别的增长。最新一期的science上面，居然有两篇是实验方面的Halide perovskite, 即将发表的一期science上面也有一篇（从science express可以看到）。

Perovsikite来源于最原始的氧化物 ABO3 结构，而在新的trihalide perovskite中，人们用Cl, I, F, 代替了氧位。A位和B位也可以做很多替换，甚至A位可以加入具有极化性质的化学分子. 这一系列的材料最新的特征是可以作为solar cell的新体系的材料，很多科研都是着重于他们的光伏性质。但是他也是perovskite的一种，所以很多perovskite具有的性质都还没有研究清楚（相信很快会有成果出来）。

2. Graphene 就不用多说了吧超级大热点基本每一个有凝聚态实验的物理系都会有专门的组在做这个。当然具体的问题是什么我也不是很了解啦，可以参考wiki

Graphene

3. Topological insulator （拓扑绝缘体），这也是超级大热点，由这个引出的各种新现象比如说上了新闻联播的量子反常霍尔效应，由清华大学薛其坤教授领导的小组做出来的science级别的文章。当然这个拓扑绝缘体养活的不光是拓扑绝缘体本身，还有很多基于拓扑绝缘体的heterostructure，比如说Bi2Se3/NbSe2，以及各种interface的新现象。同样，有凝聚态实验的物理系，都会有专门负责用MBE生长topological insulator的组。

⑥ 凝聚态物理学的研究热点

凝聚态物理学的研究热点：①1984年发现准晶态；②1986年发现高温超导体YBaCuO2（钇钡铜氧化物）；③1984年建立纳米科学；④1992年发现材料LaSrMnO3的巨磁阻效应；⑤2001年发现新的高温超导材料MgB2。

⑦ 物理化学近年学术热点

高分子化学是近年来的研究热点，将来可能用于防毒杀菌、高分子液晶材料等方面
太阳能转换,光催化,尤其是有机污染水光催化处理等的研究也是近年来化学领域的热点
，物理方面纳米材料和技术正成为世界范围内的研究热点。达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积,因而具有许多独特的表面效应,成为新材料和多相催化方面的研究热点

⑧ 国际物理学现在最前沿的是研究什么

凝聚态
一般来说主流的，占据物理学家中大多数的，都是属于凝聚态，研究内容主要但不限于固体材料，我所听闻比较多的研究是拓扑绝缘体 超导 量子霍尔效应 graphen 量子器件 半导体 纳米材料 等 这几年特别热门的应该是graphen和拓扑绝缘体。

高能物理
粒子物理之类的都应该归在这个方向吧
弦论什么的。
国内做高能物理理论的以做粒子物理唯象的比较多，就是不太研究引力，主要研究强弱电磁这三种相互作用，和对撞机实验结合。
不过杨老唱衰高能物理，因为现在的观测都符合理论，没有什么新东西了

量子信息
研究量子加密量子计算量子通讯等
此外因为要在材料上实现量子计算机，所以和凝聚态也有交叉。比如量子器件做量子计算机应该也可以算这个方向 又算凝聚态方向。

还有天体物理等等不太了解的方向

⑨ 2021年粒子物理学热点回眸（上） | 回眸

随着理论和实验的不断发展，物理学家逐步建立了粒子物理的“ 标准模型 ”。

在这个模型下，整个宇宙的基本粒子分为4类，分别是 夸克 、 轻子 、 矢量玻色子 和 标量希格斯粒子 。

其中，矢量玻色子是相互作用的 媒介子 ，通过规范作用传递着基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

所有的基本粒子通过和希格斯子发生 相互作用 而获得质量。随着2012年希格斯粒子 在实验中发现 ，粒子物理标准模型完成最后一块“拼图”，证明了标准模型的巨大成功。

但是目前宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题，表明 粒子物理标准模型并不是“终极”理论 ，而是电弱能标下的“有效”理论，仍然有超出标准模型的新物理亟待去发掘，这也是当前粒子物理学界的主要研究内容。

暗物质研究

暗物质超出了粒子物理标准模型，是当今物理学和天文学亟待解决的重大问题，在 实验中探测到暗物质并研究其物理属性 ，将是物理学的重大突破。

暗物质实验探测有3个主要方向—— 直接探测 、 间接探测 和 对撞机探测 。

国际新一代暗物质直接探测实验 PandaX-4T 4t级液氙实验 率先投入运行，取得大质量暗物质世界最强的限制。

间接探测包括暗物质粒子探测（ DAMPE ）和 AMS-02空间实验 积累了更多数据，给出更加精确的测量。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机 LHC 上的暗物质寻找不断深入更加复杂的参数空间，并为即将开始的Run-3阶段取数做准备。

中国锦屏地下实验室（CJPL） 是世界上最深的实验室，有效屏蔽了来自宇宙线的干扰，提供了极其优越的实验环境，中国开展了 PandaX液氙实验 和 CDEX高纯锗实验 直接探测暗物质。

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近20年来，位于意大利的 DAMA/LIBRA实验 一直宣称观测到暗物质在NaI(Tl)晶体中产生的 年调制信号 ，然而相应的暗物质信号参数被各种类型的直接探测实验所排除。

为了更加确切地检验这个疑似信号，国际上试图用同样的低本底NaI(Tl)晶体开展实验。

2021年5月，西班牙 Canfrac地下实验室 采用112.5 kg的低本底NaI(Tl)晶体探测器的ANAIS实验公布了3年曝光量的探测结果，并 没有发现显着年调制现象 。预计到2022年底，该实验将有超过3倍标准偏差灵敏的曝光量，可以给出更加确切的结论。

另一个采用106 kg低本底NaI(Tl)晶体的 COSINE-100实验 ，在韩国Yangyang地下实验室1.7 a曝光量的数据，也 没有发现显着的年调制现象 。

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2020年，位于意大利Gran Sasso地下实验室的 XENON1T液氙实验 在0.65 t·a曝光量的低能量电子反冲数据中，观测到了 大于3倍标准偏差的疑似信号 ，引起了暗物质理论和实验研究领域的广泛关注，亟需 同类型实验的进一步检验 。

中国 PandaX-II二期580 kg级液氙实验 积累了100 t·d的曝光量数据，直接从刻度数据中获取了 氙中主要的放射性杂质本底的特征谱 ，进而根据这些高可靠性的本底特征谱对电子反冲数据进行分析。

PandaX-II的结果显示，XENON1T观测的疑似信号 和当前数据并不矛盾 ，还需要提高数据统计量和探测灵敏度以给出确定性结论。

PandaX-II实验对轴子暗物质耦合常数（a）和中微子反常磁矩（b）的排除限，和XENON1T的疑似信号并不矛盾

国际上开展了多种类型暗物质探测的实验升级和研发，3个以液氙作为靶物质的实验，位于中国的PandaX-4T、欧洲的XENONnT和美国的LZ实验，将探测体量提升到了多吨级，预期能够 将探测灵敏度比之前提升1个数量级以上 。

其中， PandaX-4T液氙实验 在2020年底完成安装和调试，成为国际上首个投入运行的 多吨级液氙探测实验 ，在2021年上半年试运行的曝光量达到0.63 t·a。

PandaX-4T探测器中应用了一系列新技术：研制了 新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器 ，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，实现高分辨率的信号重建；采用了 无触发数据读出方式 ，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了 新型低温精馏氙系统 ，成功提纯6 t原料氙，将放射性杂质氪85的含量降低到PandaX-II时的1/20；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底降低到1/20，放射性杂质氡222的含量降低到1/6。

PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II 提升了2.6倍 ，给出了大质量暗物质和原子核自旋无关散射截面世界最强的限制。

PandaX-4T首批数据

对暗物质自旋无关散射截面的排除限

黄色区域为“中微子地板”，即探测灵敏度可以探测到太阳或大气中微子在探测器中的信号贡献

这批数据也显示，在暗物质质量10 GeV/ c 2附近区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“ 中微子地板 ”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的 相干散射信号 ，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。

与此同时，国际上开始计划 几十吨级“终极”液氙探测实验 ，其中一个目标是将暗物质探测灵敏度推进到“中微子地板”。PandaX实验团队已经开展了相应的关键技术研发。

以液氩为靶物质 的探测器对大质量暗物质也有独特的探测灵敏度，几十吨级的低本底氩探测器的研发也在持续推进中。

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中国CDEX实验利用 点电极高纯锗探测器 ，可实现 低能量阈值的探测 ，对轻质量暗物质具有高灵敏度。

2021年CDEX实验公布了利用942.5 kg·d曝光量的数据寻找有效场暗物质信号的结果。

直接探测实验中，暗物质和靶物质相互作用转移动量小，可以 用有效场算符的形式系统地研究 ，从而实现较为全面的覆盖多种可能的暗物质理论模型。

在分析中，CDEX实验将探测阈值降低到160 eV，针对小质量暗物质，系统性地给出了 非相对论下 多种类型有效场模型的耦合常数上限。

同时，利用 手征有效场理论 ，获得了6 GeV/ c 2质量以下世界最强的WIMP与pion介子散射截面的排除限。

目前CDEX实验正在开展50 kg级高纯锗探测阵列实验的研发，预期将探测灵敏度 提高2个数量级以上 。

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针对 小质量暗物质 ，直接探测实验也尝试不同探测方案来突破探测阈值的限制。

液氙探测实验 通过独立电离电子信号（S2-only）、Migdal或韧致辐射等次级效应来寻找小质量暗物质。

如 PandaX实验 在2021年初发表的S2-only数据分析结果，寻找暗物质和电子散射信号，在15~30 MeV/ c 2暗物质质量区间给出世界最强的 散射截面限制 。

SENSEI实验 采用了约2 g的高阻抗Skipper-CCD，在2020年底发表了24 d运行数据的结果，给出0.5~10 MeV/ c 2质量的暗物质和电子散射信号世界最强的限制，以及1.2~12.8 eV/ c 2质量的暗光子世界最强的限制。

SENSEI实验正在组装测试100 g探测模块，将 大幅度提升该质量范围的暗物质探测灵敏度 。

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在 暗物质间接探测 方面，中国暗物质探测卫星 DAMPE实验 和位于国际空间站的 AMS-02实验 继续积累数据。

2021年发表了AMS-02实验运行7 a以来的物理数据，给出 更加精确 的反电子、反质子等测量结果。

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在 对撞机探测 方面， 大型强子对撞机LHC 上的 ATLAS 和 CMS 实验不断深入分析Run-2运行时期的全部数据，寻找 暗物质产生过程 以及 中间传播子信号 。

对撞机探测不受原子核自旋大小的压制，通过寻找夸克或者胶子湮灭产生暗物质的过程，以及通过双喷注共振峰直接寻找轴矢量中间传播子，在一定的耦合常数下，可以 有效补充直接探测实验的结果 。

对撞机实验同时在寻找一些 复杂过程的暗物质模型 ，其中， 暗希格斯子模型 认为暗物质的质量起源有可能也存在类似希格斯子的破缺机制——暗希格斯子，暗希格斯子可以有和希格斯子类似的衰变过程。

ATLAS实验在2021年发表了 首个暗希格斯子衰变到2个矢量玻色子最终态的寻找结果 ，对中间传播子和暗希格斯子质量给出了限制。

LHC第三期取数Run-3即将开始，将累计更多的数据量进一步扫描多种暗物质产生模型。

中微子和粒子天体物理研究

粒子天体物理和粒子物理研究紧密联系， 宇宙线 具有地球上人造加速器无法达到的高能量，为我们认识极端高能物理过程、寻找新物理提供了宝贵的物质样本。

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2021年粒子天体物理领域最显着的成果来自中国国家重大 科技 基础设施—— 高海拔宇宙线观测站LHAASO 。

LHAASO于2021年完成建设并顺利通过工艺验收，正式进入科学运行阶段，以前所未有的灵敏度开展 伽马射线、宇宙线巡天观测 。

在建设期间，基于1/2阵列数据，LHAASO合作组发布了首批观测结果：发现 银河系中大量超高能宇宙加速器 ，为寻找河内宇宙线起源做出了重要推进；记录到 能量达1.4 PeV的伽马射线光子 ，这是人类迄今为止观测到的最高能量光子，开创了超高能伽马射线这一崭新的天文窗口。

蟹状星云 是首批发现的12个超高能伽马射线源之一，一直作为伽马射线天文学的“标准烛光”，LHAASO的最新结果为此“标准烛光” 在超高能波段设定了亮度标准 。

LHAASO观测到来自蟹状星云方向的0.88 PeV伽马射线光子

这些超高能伽马射线辐射产生PeV以上能段的电子，接近经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限， 对现有的粒子加速理论提出了严峻挑战 。

未来几年，LHAASO将持续对北天区开展巡天观测，扫描伽马射线源并精确测量“膝”区宇宙线能谱， 冲击宇宙线起源的世纪之谜 。

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另一种来自宇宙深处的重要物质样本是 高能中微子 。

2021年，位于南极冰层中的冰立方中微子天文台公布了首个 格拉肖共振事件 ——格拉肖预言，反电子中微子可与电子相互作用生成W-玻色子。产生格拉肖共振的中微子峰值能量为6.3 PeV，可 从极端天体环境中得到 。

冰立方在此次簇射事例中测得6.05 0.72 PeV的能量，考虑到簇射中的不可见能量，中微子能量被修正为约6.3 PeV；事例中测到次级缪子的信号预示着 W-玻色子的强子衰变过程 ，为格拉肖共振提供了进一步证据。

冰立方的格拉肖共振事件再次验证了粒子物理标准模型， 揭示了天体反电子中微子的存在 。

对格拉肖共振事件的观测有望对天体中微子的产生机制做出限制。

未来几年是中微子天文学发展的关键时刻，国内外多个实验组提出了冰层、海洋、湖泊中的多种 下一代中微子望远镜方案 ，结合伽马射线、宇宙线、引力波的观测数据开展多信使天文学研究。

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在 超出标准三味中微子模型的新物理寻找 方面，位于美国费米国家加速实验室的MicroBooNE实验发布了新的测量结果，没有找到惰性中微子存在的迹象。

此前，LSND、MiniBooNE等 短基线实验 相继发现中微子的数量异常，引入第四种中微子—— 惰性中微子 。

MicroBooNE实验没有找到惰性中微子，表明其中的差异还需要进一步研究，中微子数量异常仍然是未解之谜。

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2021年，国际 无中微子双贝塔衰变实验 方向发展势头迅猛。

大型实验 中，CUORE和Kam⁃LAND-ZEN实验分别继续取数，GERDA的继任实验LEGEND-200即将开始运行。

国内无中微子双贝塔衰变实验在最近几年蓬勃发展，多个实验组提出了多种不同的实验方案，再次彰显了 马约拉纳中微子 这一问题的重要性和显着度。

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2021年， 中国江门中微子实验 的建设进展顺利，预期2023年开始取数，剑指中微子质量顺序、中微子混合参数的精确测量，有望率先获得具有国际竞争力的实验成果。

明天将介绍缪子反常磁矩研究、重味与强子物理研究、高能量前沿希格斯物理、电弱物理与新物理寻找这3个领域的进展，敬请关注！

论文全文发表于《 科技 导报》2022年第1期，原标题为《2021年粒子物理学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。