续脉求真：清华物理系对撞机实验研究的三十年跨越

|作者：陈新 胡震† 王青

(清华大学物理系）

本文选自《物理》2026年第8期

摘要清华大学物理系的对撞机高能物理实验研究经历了一段跨越三十年、跌宕起伏的发展历程：从世纪之交在物理系启动对撞机实验探索，到因人员流动而一度中断；从2014年物理系正式加入ATLAS实验、重启对撞机实验研究，到2019年成功开拓CMS和FASER两个全新实验方向。如今，清华物理系在大型强子对撞机(LHC)的三个前沿实验(ATLAS、CMS、FASER)中已形成协同发展格局，先后在希格斯粒子性质及其与费米子耦合的观测、全粲四夸克态家族的发现与量子数测定、对撞机高能中微子的首次直接探测等方向取得了多项原创成果。文章以发展历程为主线，系统回顾清华物理系对撞机实验研究的学术传承与创新路径。

关键词清华大学物理系，对撞机实验，大型强子对撞机，希格斯粒子，奇特强子，中微子

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引 言

在对撞机实验是当代高能物理最核心的研究手段之一。它将粒子加速到接近光速使其对撞，通过分析对撞产物来探索物质微观世界的基本组成单元和相互作用规律。自20世纪后半叶以来，对撞机实验已催生了三代夸克和轻子、W和Z玻色子乃至希格斯玻色子的发现等多项诺贝尔奖级别的重大突破，不断刷新着人类对自然界的认知边界。

清华大学物理系有着悠久的粒子物理理论研究传统，但高能实验方向的系统建设起步相对较晚。在对撞机实验领域，物理系经历了一段曲折过程：从早期的探索到研究方向的中断，从后续的重启到多实验方向的协同发展。这一演变历程反映了学科建设中人员、资源和战略选择的多重因素，也呈现了清华物理人在前沿科学探索中持续努力的学术品格。本文按时间脉络，梳理物理系对撞机实验研究三十余年的发展轨迹与主要成果。

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第一粒种子：物理系对撞机实验的发源

2.1 物理系高能物理实验学科的初步建立

清华大学物理系在高能物理领域的历史积累源远流长。20世纪后半叶，随着中国粒子物理研究的逐步兴起，诸多清华物理系校友在实验高能物理领域崭露头角，如叶铭汉院士曾负责北京正负电子对撞机上的北京谱仪(BES)核心部件“电磁量能器”的研发工作。先行者们的工作，为物理系日后实验方向的建设积累了重要的学术联系。

1982年物理系复系后，邝宇平、张礼、孙洪洲等共同奠定了粒子物理与核物理理论研究的基础，使清华在实验条件尚不具备的情况下，率先在理论高能物理领域积累了一定的科研力量与人才储备，也为后续引进实验方向人才创造了必要的前期条件。到20世纪90年代末，相对于国际高能物理蓬勃发展的态势，清华物理系学科布局中缺乏实验人才的问题凸显。有鉴于此，物理系在千禧年前后开始积极物色优秀人才，试图在实验高能物理方向实现突破。

2000年左右，高原宁教授来到清华大学物理系工作，成为物理系首位系统开展对撞机实验研究的学者。高原宁在北京大学获得本科和博士学位，毕业后在中国科学院高能物理研究所做博士后，后赴欧洲、美国从事高能物理研究，在实验粒子物理领域积累了丰富的科研经验，他的加入标志着清华物理系的对撞机实验研究正式起步。

2.2 早期探索与转向

高原宁在物理系工作期间，推动搭建了相应的科研平台，并利用其在国际大型实验合作组中的学术影响力，带领课题组切入国际前沿研究领域，不仅着手培养了第一批对撞机实验方向的青年人才，也为清华物理系日后重返这一领域储备了宝贵的学术资源和国际合作网络。

然而，由于学科布局调整等多种因素的叠加，高原宁大约在2004年调动至清华大学工程物理系。由此，物理系的对撞机实验研究陷入了长达十年的中断。这期间，虽然物理系暂时没有了以实验为主体的高能研究组，但跨院系的协作平台得以建立。2004年，邝宇平院士牵头成立了清华大学高能物理研究中心(中心主任为高原宁)，将物理系的高能理论研究和工程物理系的高能实验研究纳入统一框架。2005年，邝宇平发起“TeV物理工作组”，以年度全国研讨会为主要活动形式，探讨大型强子对撞机(LHC)等实验的进展，推动了高能理论与实验研究的紧密结合，使清华粒子物理团队在国际上获得广泛认同。

此后，高原宁与工程物理系的同事们一起，在欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)上取得了更加丰硕的科研成果。2015年，LHCb实验宣布发现五夸克态，清华团队在数据分析中发挥了关键作用，首次观测到了两个隐粲五夸克态的信号[1]。该发现入选了英国物理学会Physics World的年度突破(Breakthrough of the Year)和美国物理学会Physics的年度亮点(Highlights of the Year)，其中Physics 指出“五夸克态的夸克构成新模式为理解束缚夸克的复杂强力提供了独特的机会”。诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)评论道：“这是我能想象的量子色动力学中最令人兴奋的发现。”2017年，高原宁又带领中国团队首次探测到双粲重子[2]，入选年度“中国科学十大进展”和“世界十大科技进展新闻”。

高原宁2018年工作调动至北京大学(物理系王青接任清华高能中心主任)，出任北大物理学院院长等要职，并于2019年当选中国科学院院士，继续在更高平台上引领中国对撞机实验研究的发展。他在物理系留下的种子，虽然因种种原因一度中断了生长，却是清华物理系高能实验方向的一段珍贵学术记忆——它证明了清华物理系完全有能力在这个前沿方向上作出世界级的贡献，也为后来者留下了可以接续的精神火种。

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第二次启航：物理系对撞机实验的重启

3.1 加入ATLAS实验

物理系长达十年的对撞机实验研究空白终于在2014年被打破。这一年，陈新来到清华大学工作，他在美国威斯康星大学麦迪逊分校获粒子物理博士学位并从事博士后研究工作，先后在斯坦福线性加速器中心(SLAC)的BaBar实验、CERNLHC上的超环面仪器(ATLAS)实验等国际前沿项目中积累了科研经验，研究领域涵盖希格斯物理、超出标准模型的新物理寻找等方向。

2014年8月，清华大学物理系正式加入欧洲核子中心的ATLAS合作组，成为ATLAS中国组的第六位成员。这一事件是物理系对撞机实验研究的重要转折点。通过正式加入世界上规模最大的高能物理国际合作组之一，清华物理系不仅获得了参与LHC前沿实验的正式身份，也开启了从纯理论到实验与理论并行的学科转型。清华新闻网的报道指出：“这不仅意味着清华大学在现有的高能物理理论研究、LHCb实验研究等基础上的扩展，更是一个在未来高能实验领域做出成果、发挥影响的契机。”

3.2 希格斯粒子的探索：从耦合到衰变的系统研究

加入ATLAS实验后，研究团队迅速投入了多项核心物理分析工作，其中围绕希格斯粒子的研究是主要方向之一。

希格斯玻色子是基本粒子标准模型理论中的最后一环，2012年由ATLAS和CMS实验联合宣布发现，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因此共享了2013年的诺贝尔物理学奖。然而，希格斯玻色子的发现远非终点——标准模型预言的诸多性质仍然有待检验，任何偏离都有可能为发现新物理打开一扇大门。

图1 加权重之后信号区双τ轻子的不变质量分布[3]

研究团队首先聚焦于希格斯粒子与费米子的耦合研究。通过细致分析H→ττ衰变道，团队与其他ATLAS成员一起，逐步揭示了希格斯玻色子与第三代轻子的耦合模式。2016年，综合ATLAS和CMS在LHC第一阶段运行期间的数据，希格斯粒子与费米子的耦合方式被首次直接观测到(图1)，进一步证实了希格斯玻色子通过汤川耦合赋予费米子质量的机制，为标准模型的最后一块拼图补上了关键的拼片[3]。

图2 多变量分析方法给出的BDT变量在t→H(ττ)q分析中一个信号区的分布[4]

除了标准模型的精细检验之外，团队始终保持着对新物理可能迹象的高度敏感。他们首次利用H→ττ衰变寻找t→Hq这样包含味改变中性流的过程(图2)[4]，该过程在标准模型中被高度压低，而新物理模型往往预言其分支比会有显著增强。同时，寻找具有轻子数破坏的希格斯衰变过程、希格斯粒子CP性质的精密测量以及寻找具有六维反常耦合算符的重希格斯粒子等研究也相继展开。这些探索看似具体细微，却可能承载着超出标准模型的发现。在理论层面，团队开展了与τ轻子和暗物质相关的唯象研究[5，6]，形成了实验与理论相结合的研究架构。

3.3 强子物理方面的发现

在希格斯物理和超出标准模型新物理的寻找之外，研究团队还在强子物理领域做出了新发现。2022年，团队在全粲四夸克态研究中验证了LHCb实验于2020年发现的全粲四夸克态X(6900)，并找到了其新衰变模式X(6900)→J/ψ+ψ(2S)的迹象[7]；2025年，研究团队通过对4μ末态和4μ2π末态的联合分析，成功观测到了这一新衰变模式[8]。全粲四夸克态是由四个粲夸克组成的奇特强子态，研究它们的性质有助于深入理解量子色动力学在非微扰区域的行为。

3.4 ATLAS实验上的硬件贡献与学术影响

物理系ATLAS团队的研究工作并不仅限于数据分析，他们在硬件层面同样投入了大量精力。研究团队携手中国科学院高能物理研究所，联合开展了硅微条探测器(ITk)的生产与调试工作，服务于ATLAS探测器的升级改造工程。这种既有“软”分析又有“硬”器件的全方位研究能力，提升了团队在合作组中的综合竞争力，也为后续物理系进一步拓展其他实验方向打下了坚实的技术基础。

随着研究工作的深入，清华物理系在ATLAS合作组中的学术影响力逐步提升。周宁2015—2017年在物理系ATLAS组短暂工作后，加入上海交通大学物理与天文学院。陈新先后担任ATLAS希格斯粒子τ衰变轻子道负责人、ATLAS SCAB委员会委员、ATLASB介子和轻共振态稀有衰变组召集人、LHC重味物理工作组ATLAS协调人。这些国际任职不仅代表着ATLAS合作组对其学术能力的认可，更意味着清华团队已深度融入对撞机物理研究的国际前沿。

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再开新局：物理系对撞机实验研究的全面拓展

4.1 加入CMS实验与B物理团队的建设

对撞机物理是一门需要长期积累和多方协作的学科，任何一项重要发现都离不开众多研究人员的协同攻关。2018年底，胡震来到清华大学物理系工作，他在普渡大学获得博士学位，之后在美国费米国家加速器实验室(Fermilab)做博士后。他曾于2008年加入LHC上的紧凑缪子螺线管(CMS)实验，并在博士工作中首次观测到底偶素压低(为夸克—胶子等离子体的存在提供了实验证据)，又观测到稀有衰变过程Bs→μμ，在对撞机B物理研究中积累了经验。

2019年，清华大学物理系正式加入欧洲核子中心的CMS合作组，形成了多实验协同发展的架构。以CMS为平台，团队组建了B物理研究组，并与南京师范大学易凯教授、复旦大学沈成平教授等建立了合作关系，同时聘任易凯为清华大学访问教授。

4.2 全粲四夸克家族的发现与量子数测定

在CMS实验上，团队开展了B强子性质、谱学、稀有衰变、CP破坏等多个方向的研究，其中一个原创课题是在双J/ψ质量谱上寻找新粒子，其核心思路在于两个J/ψ介子构成的末态，很可能是探测由四个粲夸克组成的奇特强子态的有效探针。研究团队利用CMS实验采集的大量质子—质子对撞数据，并依靠CMS探测器在缪子测量方面的优势，通过双缪子衰变道重建J/ψ，对双J/ψ质量谱进行了系统分析，在精确控制本底、细致考虑探测器效应的基础上运用了多种统计方法。

图3 CMS实验的双J/ψ不变质量分布[9]

2022年，研究团队在J/ψ+J/ψ的质量谱中观测到了三个共振峰结构，分别为X(6600)、X(6900)和X(7100)，如图3所示。其中X(6900)已于2020年被LHCb实验观测到，该研究对其做了高统计显著度的确认；X(6600)是新发现的粒子，显著性超过5倍标准差；X(7100)也达到了较高的显著度水平。这些共振结构均表现为双J/ψ的衰变末态，符合由四个粲夸克组成的奇特四夸克态的特征[9]。中国科学院院士、中国LHC项目前负责人陈和生评论道：“自从1993年Carlo Rubbia(时任欧洲核子中心所长)将LHC项目引入中国科学院高能物理研究所(北京)30年以来，这是第一次由一个中国CMS团队主导发现新粒子，而且是意料之外的粒子。”

2025年，利用更多的CMS实验数据，团队观测到了新的衰变道X(6900)→J/ψ+ψ(2S)→4μ (即X(6900)通过ψ(2S)中间态的衰变模式在四缪子末态得以确认)；新粒子X(7100)也首次以超过5倍标准差的显著性被观测到[10]。至此，由三个X态组成的全粲四夸克家族被确认。这些共振结构还表现出量子干涉现象，表明它们具有相同的量子特性，支持它们同属一个四夸克态家族的物理图像。

图4 不同自旋宇称模型的统计检验[11]

然而，要理解这些四夸克态的内部结构，仅仅知道它们的存在是不够的，因此研究团队测定了它们的自旋与宇称量子数。这一测量运用了曾用于希格斯玻色子的角分析技术，并克服了拟合中似然函数不连续等多个技术难题。测量结果表明，三个粒子的宇称和电荷共轭量子数均为正(P=C=+1)，自旋与J=2的假设一致(图4)，而J=0和J=1的可能性则分别在95%和99%的置信水平下被排除[11]。自旋为2的粒子在自然界中较为罕见，这是在所有显著性超过5倍标准偏差的奇特强子中首次发现J=2的粒子。作为一个近年来兴起的研究方向，四夸克态的存在形式和内部结构始终存在争议，而此项发现为深入探索这一独特的强子物质形态提供了重要的实验依据。

4.3 CMS实验上的硬、软件与组织贡献

除上述物理成果外，清华团队也在CMS合作组的探测器升级、软件开发、组织管理等方面做出了贡献。在探测器方面，团队与中国科学院高能物理研究所联合进行了高颗粒度量能器(HGCal)的研发和量产，与北京大学联合进行了气体电子倍增器(GEM)和最小电离粒子时间探测器(MTD)的研发和量产。

团队成员在CMS的Physics Performance and Dataset组、B物理组等担任二级、三级协调人等职务，参与实验的运行和取数组织工作。基于多方面的贡献，团队负责人胡震2025年当选CMS国际合作组亚洲区的Representative，负责协调亚洲10个国家和地区的49个单位的合作事宜。

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引第三个维度： FASER实验与对撞机中微子研究

5.1 FASER实验的诞生与清华的早期布局

就在清华物理系于ATLAS和CMS实验上稳步推进的同时，另一条全新的战线正在悄然铺开。2019年3月，清华物理系与国际同行共同推动了FASER (ForwArd Search ExpeRiment) 实验在欧洲核子中心立项，清华大学由此成为FASER合作组的十六个创始单位之一(图5)。

图5 首届FASER合作组会议于2019年初在CERN举办

FASER实验位于LHC的ATLAS对撞点的前向区域，这个区域长期以来是对撞机实验探测的盲区。由于对撞产生的大部分轻粒子沿着束流方向飞出，前向区域可能沉积着极具科学价值的物理信号——包括可能的长寿命暗物质粒子以及极高能量的中微子。正是瞄准这一研究空白，FASER实验应运而生，其巧妙的选址使其能够在LHC运行期间以前所未有的灵敏度探索前向物理。

作为发起方之一，团队全面参与了探测器的研发和建造：完成了核乳胶探测器中三种中微子的Geant 4模拟；设计并量产了径迹探测器、预簇射探测器的控制和监测电路板；团队博士后担任径迹探测器协调人，统筹相关技术工作，并主导了多项数据分析课题；多名博士生投入实验工作，负责核乳胶中电磁簇射的重建与物理分析，并全面参与核乳胶胶片的生产组装、显影扫描和数据处理。

值得指出的是，核乳胶探测器技术在20世纪就已被发明，清华物理系早期系友钱三强与何泽慧就是利用核乳胶发现并研究了铀核的三分裂和四分裂现象。20世纪50年代，何泽慧领导的研究小组在国内成功研制出了性能达到国际先进水平的核乳胶。在现代高能物理实验中，核乳胶依然具有独一无二的空间分辨能力，FASER的核乳胶系统实现了对中微子与物质相互作用的精确识别，清华团队在这一过程中作出了重要贡献。

5.2 对撞机中微子的首次直接探测

2022年，LHC第三期运行启动，FASER正式投入取数运行。经过近一年的数据积累，2023年FASER实验宣布首次直接探测到了对撞机产生的高能中微子(共观测到约153个缪子中微子事例)，信号显著度高达16倍标准差[12]。该成果填补了数百GeV到几个TeV能量之间的实验数据空白能区。高能中微子与其他粒子的相互作用在这一能量范围内此前从未被详细研究过，FASER为理解电弱相互作用和质子内部的夸克胶子结构提供了新的实验数据。

图6 FASER实验测量的缪子中微子截面[13]

2024年，FASER再接再厉，首次直接探测到了对撞机产生的电子中微子，并首次测量了几百GeV到几个TeV能区的中微子反应截面，如图6所示[13]。这一成果为研究中微子相互作用在高能区的行为提供了直接数据，并入选了Physical Review Letters“ 年度亮点专辑”(Collection of the Year)。

5.3 从“跟跑”到“领跑”：AHCAL离轴探测器与中方主导的新范式

在FASER的前期运行取得成功后，团队开始思考如何继续推进实验的前沿性。2025年初，胡震提出了一个新的技术思路：在赝快度约为7的位置加装一个离轴强子量能器系统(AHCAL)，用以提高对粲衰变产生的电子中微子的探测灵敏度。这一方案通过了FASER合作组的评审并成功实施，还获得了国家自然科学基金委的重点国际合作项目资助。团队与中国科学技术大学合作，将原用于环形正负电子对撞机(CEPC)的原型机AHCAL进行升级改造后运往欧洲核子中心，于2026年初成功安装取数，如图7所示[14]。

图7 AHCAL探测到来自LHC的缪子[14]

这一工作为中国参与LHC国际合作提供了一种新范式：由中方提出原创的物理目标和探测器技术方案，并全流程主导研发与实施。在本项目中，从提出思路到获得资助，从硬件研发到数据分析和物理产出，团队实现了对关键科研流程的完整贯通。这不仅标志着清华高能物理实验团队逐步向“主动引领”的转型，也为未来主导更大规模的国际合作项目积累了宝贵经验。

06

总结与展望

回顾清华物理系对撞机实验研究这三十余年的发展历程，一条“断裂—重建—拓展”的演进轨迹清晰可见。从间断的角度看，这条道路绝非一帆风顺，历史留下的空白难以回避，但真正重要的是在每个关键时刻，物理系都保持了追求前沿高能实验研究的决心。从延续的角度看，一代代清华物理学者薪火相传，早期积累的学术联系和人才基础为后续重启创造了条件；加入ATLAS实验标志着研究的实质性恢复；CMS和FASER两个方向的拓展则形成了多平台协同的研究格局。

在上述发展历程中，清华物理系在对撞机实验领域的角色也经历了深刻演变，从早期参与国际合作的成员单位逐步发展为在若干方向上主导工作、提出原创方案的团队，在LHC国际合作中获得了更广泛的学术影响力，并于2025年随LHC的四大实验合作组获得基础物理学突破奖。

更为深刻的延续体现在人才培养的链条上，物理系的对撞机实验研究正在吸引和培育一代代富有热情的年轻学子。Muhammad Ahmad荣获CMS年度贡献奖，成为中国高校首位获此表彰的博士后；Tomohiro Inada博士后出站即获得CERN Fellow职位和日本九州大学教职；博士生王晰宁历时三年攻克全粲四夸克自旋宇称测量，以核心作者身份发表论文；本科生赵一扬在本科期间就完成了在质心能量13.6 TeV下底夸克偶素截面的首次测量，获清华大学“挑战杯”特等奖和清华大学学生最高荣誉“特等奖学金”。短短数年间，物理系从导师到博士后、从博士到本科的对撞机研究学术梯队正在逐步成型——这正是学术传承的生动体现。

展望未来，物理系的对撞机实验研究仍有广阔的开拓空间。2025年，清华大学高能物理研究中心挂靠单位从工程物理系转到物理系(邹冰松院士接任中心主任)，物理系对撞机实验研究也将进入一个新的阶段。在2030年左右将要开始的高亮度LHC运行阶段，ATLAS、CMS和FASER实验都将积累远超当前的数据量，为新物理寻找和精确测量提供了前所未有的契机。ATLAS团队在希格斯物理等领域的持续深耕、CMS团队在B物理和奇特强子等领域的前沿探索，都有望迎来更多科学产出。而清华团队在FASER实验上提出的由“中方主导”的升级项目，也有望为未来参加更多大型国际科学合作项目提供有益的参考样本。

致 谢感谢高原宁院士、邹冰松院士、肖志刚教授对本文写作提供的信息支持和宝贵建议。感谢清华大学物理系、清华大学高能物理研究中心以及ATLAS、CMS和FASER国际合作组提供的良好科研环境。感谢国家自然科学基金委、科技部、清华大学自主科研计划的长期支持。文中所述成果凝聚了清华物理系众多师生和国内外合作者的共同努力，在此一并致谢。

参考文献

[1] LHCb Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2015，115：072001

[2] LHCb Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2017，119：112001

[3] ATLAS Collaboration. Phys. Rev. D，2019，99：072001

[4] ATLAS Collaboration. JHEP，2019，2019：123

[5] Chen X，Wu Y. Eur. Phys. J. C，2017，77：697

[6] Chen X，Wu Y. Phys. Lett. B，2019，790：332

[7] ATLAS Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2023，131：151902

[8] ATLAS Collaboration. Phys. Rev. D，2026，113：112015

[9] CMS Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2024，132：111901

[10] CMS Collaboration. 2026，arXiv：2602.02252

[11] CMS Collaboration. Nature，2025，648：58

[12] FASER Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2023，131：031801

[13] FASER Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2024，133：021802

[14] Yang H et al. Sci. Sin.-Phys. Mech. Astron.，2026，56(8)：280019

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清华大学物理系建系百年专题

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