郝伟，理论物理所2020级博士生
导师：邹冰松研究员
研究方向：强子物理
在我们生活的世界里，有一些看似微小的粒子，它们的存在却对我们的生活产生了重大的影响。这些粒子是研究对象，它们的行为和相互作用被研究者们广泛研究和应用。科学的发展是服务于社会的发展和进步的，那么粒子物理学的发展能够对我们的社会产生怎样的影响呢。从粒子物理学本身的发展来说，它对我们的生活产生了极大的经济价值，从构建实验设施到运行投入，这些令人印象深刻的设施已成为各大国家的重要资产。实验室除了可以成为一些大型设施和仪器研究的场所，还是科学家进行研究的中心。研究结果和数据会被用于去解决实际问题和设计实用技术。各个国家之间也会在粒子物理实验领域进行合作和分享，从而促进了国际间的和平和友谊。此外在其它领域，粒子物理学也发挥着重要作用。本文我们就从医学成像技术、辐射治疗、核科学和材料科学等方面对粒子物理在生活中的应用做一些介绍。
01.
什么是粒子物理学?
粒子物理学是研究微观世界中基本粒子的性质和相互作用的学科，在强子层次这些基本粒子包括各种介子、重子等，当然还有各种奇特强子态。粒子物理学是物理学的一个分支，旨在探测物质的最基本组成部分，从而深入理解宇宙的本质及其演化。
粒子物理学所涉及的粒子非常微小，需要借助于高能加速器来进行研究。通过加速器可以使粒子发生碰撞，并借助于其中安装的各种探测器，来观测和研究它们之间的结构组成和相互作用性质。目前粒子物理学能研究到的最基本粒子层次是夸克层次，并通过标准模型对这些粒子做了很好地分类。在标准模型下，夸克有三代六味，分别为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，夸克被禁闭在强子内部，通过复杂的相互作用形成强子。传递相互作用的粒子被称为传播子，其中胶子传递强相互作用，光子传递电磁相互作用，W和Z玻色子传递弱相互作用，希格斯粒子引导规范群的自发对称性破缺，与费米子有汤川耦合，是惯性质量的源头。
虽然粒子物理学更多的是侧重于基础实验和理论研究，但它已经在我们生活的方方面面发挥着重要作用。粒子物理学的研究成果在科学与技术、能源工业和医学等领域都有着广泛的应用。
02.
粒子物理学在医学上的应用
医学服务于人类身体健康和社会福祉，医学的发展伴随着各种医疗设备的研发和医疗技术的提升。粒子物理学在医学上的应用可以推动新型诊断和治疗技术的发展，能够为医疗系统提供高效的医疗设备，让医生和医学研究者了解更多关于疾病的信息和治疗方法，提升病人的治疗准确性和效率。
a. 放疗：粒子物理学可以用于癌症的放疗。利用高能粒子束和离子束，在体内精准定位并击中癌细胞，达到精准治疗和损害周围健康组织的最小化，提高治疗效果和减轻治疗副作用。
b. 影像诊断：粒子物理学在医生对病人进行诊治时，也有着不可或缺的作用。利用同步辐射成像技术、放射性示踪剂、计算机断层扫描(CT)等技术，可以精确诊断疾病的情况。
c. 精准医学：粒子物理学的研究可以为精准医学提供诊断和治疗方法。通过基因组学和生物物理学方法，粒子物理学可以通过检测病例的基因信息来进行精准医学的治疗。
d. 医学影像学：粒子物理学还可以应用于医学影像诊断。例如，利用正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射性能断层扫描(SPECT)等技术来检测深部组织内的肿瘤细胞，达到更加准确的检测效果。
03.
粒子物理学在工业上的应用
1. 航空工业
航空工业的发展不仅关乎民生，更关乎国家安全，军用航空工业的发展对国家安全至关重要，无论是二战还是二战后的各种地区冲突，都可以看到，制空权的掌握能够在很大程度上决定战场的局势走向，而制空权很大程度上依赖于国家航空工业的发展。粒子物理学在航空工业发展中扮演着重要角色。
a. 材料研究与测试：粒子物理学可以用于模拟高速碰撞情境，深入研究材料的性质、强度以及它们在高速碰撞中的表现。通过检测材料在粒子束下的反应，可以更深入地了解材料特性，为研发新材料提供技术保障。
b. 轻质材料加工：航空行业中使用轻质材料替代重量较大的材料可以提高航空器的速度与效率。粒子物理学可以通过控制粒子束的运动轨迹，进行材料的加工、切割，实现对高强度轻质复合材料的精密加工。
c. 电子设备研发：随着航空技术的不断进步，电子设备在飞机上扮演的角色越来越重要。粒子物理学通过研究电子的行为、控制与测量，不断完善航空电子设备与通讯设备的性能和可靠性。
d. 航空器探测系统：粒子探测器不仅仅可以用来研究材料与粒子的相互作用，还可以在航空器中用来检测粒子、辐射以及其它无法被铅屏蔽的粒子。通过对机舱的辐射探测，可以增加航班安全度，保证航班的顺利进行。
可以看到，从材料研究到航空器探测，都涉及到粒子物理学的技术，这些技术的不断发展将使精密、高速、高效又安全的航空交通变得更加可靠和普及。
2. 能源利用
工业革命以来，借助于化石能源，人类实现了从农业社会到工业社会的变革，但这也带来了巨大的危害，比如污染。而且化石能源作为地球上的有限资源，终有枯竭的一天。但未来人类对能源的需求将会只增不减，如何创造出新的清洁能源为科技工作者提出了新挑战，而粒子物理学作为基础科学，对能源的发展将起到重要作用。粒子物理在新能源方面持续推动能源技术的创新和进步，以满足未来对能源巨大的需求量。
a. 核聚变发电: 核聚变是一种将两个轻核融合形成一个更重的核，并放出能量的过程。这种过程需要极高的温度和压力才能进行，也需要控制反应的能量释放，同时还要避免对环境造成损害。粒子物理学的研究能够帮助我们更好地理解核聚变过程，从而研发更为安全和高效的核聚变反应堆，这能够为未来提供巨大的清洁能源。
b. 粒子束切割和焊接: 粒子束可以很精确地进行切割和焊接，这在制造业中非常有用。例如，使用离子束切割、磨削、烧结、抛光等方式制备材料，并用于半导体、化学、光学等高科技领域。这种切割和焊接可以更准确和快速地完成工作，同时也可以降低使用传统方法时可能涉及的环境和健康危害。
c. 暗能量和暗物质的研究: 暗能量和暗物质是目前仍未被直接测量到的物质，但它们在宇宙物理学中扮演着重要角色。粒子物理学家正在寻找新的技术，包括使用加速器和探测器来寻找这些物质。了解暗能量和暗物质将有助于我们更深入地了解宇宙的起源和演化，同时也能帮助我们更好地开发可持续的能源。
d. 太阳能电池: 太阳能电池使用粒子物理学原理实现。太阳能电池通过利用光子转化为电子现象，在阳光下将光转化为电。太阳能电池因为干净、绿色、低成本等特点，已成为现代高效节能、新兴绿色能源之一。
3、安全检测
生活中，尤其是出行时，人们总要经历各种安全检测以保障大家的出行安全。随着技术的不断进步，人们的检测方式已经从传统的“搜身”过度到了各种检测设备的大量使用，这不仅节约了大量的人力成本，还使得检测更加精准和高效。此外在物流行业，检测设备也被大规模使用以保障货物安全。相比于化学检测，物理检测往往更方便安全可控。安全高效的检测系统的开发，能够为生活提供极大的便利。检测设备的研发需要我们对相关粒子的组成和性质有着很全面的认识以保证安全性和可靠性，这也正是粒子物理学的研究目标之一，因此粒子物理学的发展会促进这些设备的升级和发展，粒子物理学在安全检测方面的应用范围也会更加广泛并且细分化。
a. 金属探测器：金属探测器使用了粒子物理学中的知识。金属探测器通过探测金属物体的电磁信号来检测金属中的微小氧化物，可在保安检测、货物检测、矿物探测、人体快速安检、机场安检等地方使用。
b. 辐射检测器：粒子物理学知识也被广泛用于辐射检测器中，例如放射性物质的检测与研究，以及在核事故等紧急现场检测。这有助于人们在危险的环境中把控辐射情况，做好保障工作。
c. 其他方面：粒子物理学也被用于探测器的制造，包括探测器中跟踪粒子和放射性元素的能力。此外，人们也在粒子束中探测物质的组分，比如对食品，水，空气以及其它重要的生活和劳动环境的安全检测。
4、材料科学
工业的发展需要更高性能的材料作为支持，如今，地球自然产生的材料已经远远达不到人类对多样化材料的需求，小到手机外壳，大到高铁飞机，对各种性能材料的需求与日俱增。新材料的发展需要对组成材料的基本粒子的性质有充分的认识，从粒子出发研发新材料是最干净高效的，而且针对性极强。粒子物理学不断地为材料科学领域的技术创新做出贡献。通过精确控制材料的物态特性，调整材料的化学成分或表面结构，提高材料的性能，研究人员能够开发更加智能更为健康的新材料，以适应未来的需求。
a. 材料性能改善：粒子物理学可以通过精确控制材料的物理结构和化学成分，改善材料性能。通过使用粒子束来改变材料表面的原子排列，可以增加某些特定性质，例如强度、硬度、抗腐蚀性和耐磨性等。
b. 化学合成与研发：粒子物理学在材料科学领域中对新材料的合成和研发有着重要的作用。通过使用粒子束轰击材料，研制新型纳米材料和复合材料，甚至可以制造出新的材料形态，推动了新材料研究和应用的不断突破。
c. 表面修饰和涂层：粒子物理学可以用于表面的修饰和涂层，以提高某些物化性质，例如光学性能、导电性、涂层密度等，从而提高材料的性能。制备的材料在飞机、汽车、船舶等制造领域具有很高的研究应用和价值。
d. 密封和保护层改进：粒子物理学还可以用于制造防护层和密封层。例如，使用粒子束制造超硬，超密度和超抗腐蚀的防具，或设计出材料结构，来保护电脑芯片和其他电子设备免受水、灰尘和其它破坏性外界因素的影响。
04.
总结
粒子物理学技术在化学和物理学中有着广泛的应用。例如，核化学、核催化、核药物以及放射化学等领域都用到了粒子物理学的原理和技术。可以看到，粒子物理学不仅在科学领域有着重要的作用，也在医学和工业等方面提供了许多创新的应用。粒子物理学家的努力为我们的生活贡献了许多重要的科学技术，真正实现了“小粒子大作用”的目标，也为我们的未来提供了希望。
