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这是思政实践中，参观「中国科学院高能物理研究所」时，听到的四个报告的一些记录.

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## 高能所情况介绍

73 年成立.

现在有四个园区：玉泉路、东莞、怀柔和济南.

覆盖多个领域：粒子对撞机、天体物理等.

正在进行：

* 江门中微子实验 (JUNO)：测量两个反应堆群产生的中微子，做更加精细的中微子振荡实验.

* 高海拔宇宙线观测站 (LHAASO)：在 1/4 阵列运行时 (还未完全建成) 就获得了很多重要发现，21 年建成后开启了「超高能 Gamma 天文」时代.

* 阿里原初引力波探测实验：海拔 5250 米，北半球最好的 CMB 观测点，与南极点、智利阿塔卡玛一起成为国际三大基地.

* 硬 X 射线调制望远镜卫星 (HXMT)：目前 8 年超期服役，是我国 Gamma 天文的开端.

* 怀柔一号极目系列卫星 (GECAM)：20 年发射两颗，之后 22 年发射 C，24 年发射 D.

  天地一体化观测到了史上最强射线暴 (全球唯一未达到饱和状态的卫星).

散裂中子源 (CSNS)：用作焊接工艺探伤、材料微观结构研究等，与高校研究所和企业有很多合作.

高能同步辐射光源 (HEPS)：与中子源不同，使用光子作为探针来探测材料性质.

对于大科学研究来说，需要「运行一代、建设一代、规划一代」，目前在粒子物理、粒子天体物理和公共平台方面都有相应规划，到 2050 年.

正在规划环形正负电子对撞机 (CEPC)，为研究 Higgs 粒子和突破标准模型做出贡献.

## 尾波加速器发展展望

—— 从「桌面光源」到「未来对撞机」

在新的「十五五」规划中的一个重要部分，是一种新的加速器技术.

### 什么是「尾波加速」

最简单的加速器就是阴极射线管，两个电极和一个玻璃管就能构成一个「加速器」.

到目前，粒子物理最大的加速器是欧洲核子中心的 CERN，周长 $27\text{ km}$，当然目前在规划的 CEPC 是 $100\text{ km}$ 量级 (还没有通过国家审批). 这种大科学装置一般都是千米级别，规模庞大、建造 / 维护 / 运行的费用很高.

千米级别的粒子加速器能提供的能量是 $\text{TeV}$ 量级，造价已经达到百亿美元. 我们亟需规模更小的加速装置，改变目前的环形加速器设计.

尾波加速器就是一种新的加速器设计，具有高加速梯度 ($10\sim100\text{ GV/m}$)、小加速结构 ($10\sim100$ 微米，飞秒时间结构)、高束流品质 (高峰值流强、低发射度).

想象一个接近光速的「子弹」能量源 (粒子团)，在一个稀薄的气体中移动，它所携带的电磁场非常强，能够电离周围的气体，产生一个离子背景，这个离子背景中会留下能量源的尾波. 这个尾波中的电场非常强，达到了 $\text{GV/m}$ 的级别，比普通加速器中的电场强数个量级，所以可以大幅压缩所需要的加速长度.

### 规划

18 年 Nobel Prize 给了光镊和超短超强激光，23 年是阿秒激光，这些技术使得我们实现一个「接近光速的能量源」成为可能，在未来的 20 年内规划一个 $10\text{ TeV}$ 级别、$10\text{ km}$ 尺度的尾波加速器.

尾波加速的技术同时可以向更小和更大的方向发展. 上面说到的是更大尺度的技术，如果我们把尾波加速器做到桌面大小，目前有 LWFA 桌面同步辐射光源 (21 年中关村论坛发布)，大概只有一两米，但是能够提供 $50\text{ m}$ 量级的直线加速器的能量.

更加实用化的领域，23 年中关村论坛发布了世界首台可移动的激光尾波加速器.

「桌面级」的尾波加速器有很多应用场景：Betatron 射线、逆 Compton 散射、放射性疗法等. 这种「桌面光源」可以作为一个科学仪器，进入实验室完成很多任务，它对比上海光源、北京怀柔光源这种 $300\sim400\text{ m}$ 的光源，就像个人电脑和超级计算机的差别. 现在的方向就是把这一类小型加速器做得更加实用化.

24 年中关村论坛发布了世界首台工业级紧凑型 $\text{PW 1 Hz}$ 激光器，仅仅只有 $8\text{ m}$ 尺度，其能量比之前建立的 $2\text{ km}$、造价七十亿的自由电子激光器还要高.

### 束流驱动尾波加速器 PWFA

虽然单发激光的加速效率很高，但是其平均功率太低，所以之后我们需要更大的平均功率. 现在的思路是用一个小型的传统加速器提供较高的平均功率，再使用尾波加速去倍增它的效果，这样可以大幅缩小加速器的规模.

如果做多级的级联，能够实现所谓的超高能对撞机.

## CMB 与阿里原初引力波实验

### CMB

「电视机上的雪花」，但是现在似乎大家都不看电视了. 所以我们现在叫它宇宙诞生时刻的余晖，是第一缕传播出来的光.

宇宙大爆炸之后 30 万年，温度降低到 $3000\text{ K}$，光被释放出来 (光与重子气体解耦). 到目前，原来 $3000\text{ K}$ 的黑体辐射谱红移到 $2.73\text{ K}$.

光压在重子 / 等离子汤中产生声波，按照角度可以球谐展开，CMB 的角功率谱来自于这些声学振荡.

矛盾点：

* 宇宙视界问题
* 曲率为 0 问题
* 磁单极子等遗迹粒子问题

(见 [「星系与宇宙」Lesson 12](/cosmos/lesson-12/))

解决方式是暴涨理论.

### 当代 CMB 的科学意义

暴涨理论验证：CMB 的极化性质也会有信息. 将不同偏振模式的 CMB 分别做角功率谱，得到两种量子扰动 (标量的 / 张量的) 在暴涨之后被扩大，标量扰动仍然是标量的，但是张量扰动表现为时空扰动，会产生引力波. 所以当前测量 CMB 主要是验证暴涨理论的正确性.

Hubble 危机：早期和晚期宇宙所测量得到的 Hubble 常数具有不一致性，这个不一致性在上上周的测量中已经达到了 $6.8\sigma$ 级别，这样一种新的物理机制需要从 CMB 中去寻找.

中微子科学：中微子先从光子 - 重子汤中解耦，它压低了小型的扰动所带来的影响.

宇宙双折射：目前所预测的轴子 (axion) 与电磁场的相互作用使得光子的偏振方向发生旋转，这会导致 CMB 的两种偏振模式变化，现在对 axion 的预言置信度已经达到 $3.7\sigma$.

时域与瞬变科学：之前对瞬变事件的测量都是「先有事件，再测量」；CMB 望远镜虽然不是专门做瞬变事件测量的，却可以做盲搜，发现一些瞬变事件.

### 当代 CMB 望远镜

我们需要的条件是高纬度、极度干燥.

::: tip

图片上的这个地方是一个厕所…我们声称我们拥有海拔最高的厕所.

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AliCPT 在今年 4 月得到了「初光」，对着月球和木星尝试观测.

### 自主研发

自主研发国产 TES 探测器模块：通过喇叭天线收集数据，通过各类滤波器，分流两个频段的信号.

接收机 / 光路：去除光学污染.

观测 + 标定：传统观测和标定是光束标定 / 指向标定，所以对于探测器的角度要求更加高，新的方法是「探测器极化角标定」，用无人机和地面的坐标来标定探测器.

## 超导量子计算及其在多体系统中的应用

这属于高能所的「非主流」.

现在的量子计算机分为三种：模拟量子计算、量子退火机、数字量子计算.

* 模拟量子计算：让量子系统的 Hamiltonian 和实际物理系统 Hamiltonian 一致，实现模拟.
* 退火：利用退火原理. 当然全世界只有一家公司把产品卖出去了…
* 数字量子计算：用 0 和 1 这些量子比特来实现计算.

DiVincenzo 准则：

1. 系统比特可以拓展；
2. 量子态可以初始化；
3. 系统具有比较长的相干时间；
4. 拥有一套通用量子门操作；
5. 末态信息可以被测量.

量子计算机相比传统计算机更容易被外界环境干扰，所以需要纠错机制，用更多的量子比特来模拟一个实际比特.

> 近期 Google 团队首次实现了量子计算机错误率低于传统计算机.

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![](https://vip.123pan.cn/1845440081/ymjew503t0l000d7w32x9qigpdr40v6vDIYxAIFxDda1DGxPDwUzAa==.jpg)

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我们最希望得到的算法是那些 NP = P 的问题，也就是量子计算机算法可以用多项式复杂度解决，但是经典计算机只能用指数复杂度的算法解决的问题.

经典计算 v.s 量子计算：

> 固氮酶的结构问题.
>
> 这个强关联的系统非常难解，用经典计算机完全不可能解决，但是量子计算机可以在千小时内解决.

量子计算 - 超级计算机结合方案：解决固氮酶最小的团簇问题，用量子计算机生成 $\text{P}\_4\text{S}\_4$ 的初始构象，再用超算来解决演化问题.

量子计算 / 机器学习：实际上两者有一种竞争关系，比如目前对于蛋白质的预测，两者在理论上都能得到结果，但是机器学习目前的方法效率更高.