粒子物理学
粒子物理学（英语：particle physics），又称高能物理学或基本粒子物理学，是研究构成物质的最基本的单元——粒子及其相互作用和变化的规律的科学。它是物理学的一个分支，是研究物质基本结构科学的最前沿。
物质是由原子组成的，原子由原子核和绕核运动的电子构成，而原子核又是一个由质子和中子组成的具有复杂结构的整体，现代粒子物理学又发现中子、质子等重子仍然有着内部结构。现代粒子物理学的研究集中在亚原子粒子上。亚原子粒子也称为基本粒子。这些粒子包括原子的组成部分如电子、质子和中子（质子和中子本身又是由夸克所组成的粒子）及放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子，以及许多其他奇特的粒子。
粒子物理学研究包括粒子物理学理论和粒子物理学实验两大领域。从根本上来讲，粒子物理学作为物理学的一个分支，是一门实验科学。粒子物理学实验是粒子物理学一切研究工作的基础。粒子物理学实验的测量结果，是检验粒子物理学理论的唯一标准。实验粒子物理学是对放射性过程和大型强子对撞机等粒子加速器中的粒子的研究。理论粒子物理学是在宇宙学和量子理论的背景下对这些粒子的研究。希格斯玻色子是由理论粒子物理学家假设的，并通过实际实验证实了它的存在。
简史
粒子物理学的发展始于1897年电子的发现，到1995年顶夸克的发现经历了100年 。在这100年中，随着不断地发现新粒子和新现象，粒子物理学从孕育、诞生、成长到成熟，形成了一门崭新的物理学前沿学科。
公元前6世纪古希腊的哲学家就提出了物质是由基本粒子组成的猜测。19 世纪，约翰·道尔顿 (John Dalton) 通过其化学计量学研究得出结论，自然界的每种元素都是由单一、独特类型的粒子组成。 原子一词源自希腊语“atomos”，意思是“不可分割的”，此后一直表示化学元素的最小粒子，但物理学家很快发现原子实际上并不是自然界的基本粒子，而是更小的粒子的聚集体，例如电子。 20 世纪初对核物理和量子物理的探索导致 Lise Meitner 在 1939 年证明了核裂变（基于 Otto Hahn 的实验），并在同年由 Hans Bethe 证明了核聚变；这两项发现也导致了核武器的发展。
20世纪的上半叶，正值现代物理学蓬勃发展的阶段。自相对论与量子力学创立以来，原子物理、原子核物理相继得到飞速发展，在此基础上，粒子物理学也随之而萌芽、产生了。
在早期的原子物理、原子核物理研究中，电子、光子、质子、中子先后被发现，“基本粒子”的概念逐渐形成。而为了研究高速运动的微观粒子，人们将相对论与量子力学有机结合，发展出量子场论。通过量子场论的研究，物理学家先后预言了正电子、介子推等粒子的存在。此种预言结果都通过对宇宙射线的研究而得到证实。1950年代和60年代中许多新的粒子被发现，它们被统称为“粒子动物园”。直到1970年代粒子物理的标准模型建立，将大多数这些粒子看作是少数基本粒子的复合粒子后这个混乱才减轻。
在研究微观粒子的过程中，首先不可或缺的是探测技术的运用，而依靠验电器计数、照相底片显影等进行粒子观测的手段也越来越不能满足精确实验的需要。为此人们发明了各种粒子探测器。早期的基本粒子研究对象基本局限于核反应中的放射线与宇宙射线，能量、强度受到很大限制。为此，物理学家发展出了各种类型的粒子加速器，粒子加速技术得到不断发展。
经过了第二次世界大战的有力推动，原子核物理得到迅猛发展。随着核物理研究的深入及其水平的提高，其学科内部逐渐产生了一个独立的研究方向，并逐渐形成一个新的物理学分支──粒子物理学，其理论基础（量子场论）和实验手段（宇宙线、加速器与探测器）与核物理学一脉相承，并很快成为现代物理学研究的最前沿领域之一。
研究对象
现代粒子物理学的研究集中在亚原子粒子上。亚原子粒子也称为基本粒子。这些粒子包括原子的组成部分如电子、质子和中子（质子和中子本身又是由夸克所组成的粒子）及放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子，以及许多其他奇特的粒子。严格地说“粒子”这个称呼不精确，粒子物理学中研究的所有的物体都遵守量子力学的规则，它们都显示波粒二象性，根据不同的实验条件它们显示粒子的特性或波的特性。在物理理论中，它们既非粒子也非波，理论学家用希尔伯特空间中的状态向量来描写它们，详细的理论基础是量子场论。基本粒子内部都有复杂的结构。
夸克和轻子
费米子被进一步分为两类：轻子和夸克，分别参与不同类型的相互作用。轻子和夸克又都各自存在三代，代与代的区别仅在于质量不同。第一代的费米子是宇宙中最常见的，上夸克、下夸克、电子、电子中微子。上夸克和下夸克存在于核子中；电子围绕着核子，共同构成原子：电子中微子则在恒星中大量产生。第二代包括桑夸克、奇异夸克、缪子和缪子中微子。第三代包括顶夸克、底夸克、陶子和陶子中微子，其中顶夸克是已知的最重的基本粒子。
电荷：基本粒子中有的带电，有的是中性的，凡是带电的基本粒子所带的电荷量的绝对值绝大多数都和电子所带的电荷的绝对值相等，所以通常将电子所带电荷的绝对值作为单位，称为1个电子电荷，例如质子的电荷是+1,中子的电荷是0。
自旋：像电子一样，每种基本粒子都有内禀的自旋运动，费米子的自旋总是半整数，如电子、质子、中子的自旋都等于1/2。
基本作用力：所有的基本粒子之间都有引力相互作用，但是基本粒子之间的引力作用太弱，通常不考虑。除了引力作用外，基本粒子之间还有强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。
强相互作用只存在于夸克和胶子之间，夸克之间通过交换胶子发生强相互作用，胶子之间也可以发生强相互作用。就像带有电荷的粒子之间通过交换光子发生作用一样，夸克也带有某种荷，称之为色荷。电荷只有一种，而色荷却有三种，分别称为红色、黄色、蓝色。像电荷一样，色荷也有正、负之分，红色的反荷是反红色，黄色的反荷是反黄色，蓝色的反荷是反蓝色。
弱相互作用、电磁作用、强相互作用的强度差别很大，但在高能情况下，它们的相互作用强度将趋于相同。粒子物理学家们已经建立起了一个统一电磁相互作用和弱相互作用的理论。
玻色子
量子场论表明，粒子之间的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的，即基本相互作用都是由媒介粒子传递的，这类媒介粒子统称为规范玻色子。下表中列出了规范玻色子的种类以及它们的主要性质。
胶子是传递夸克之间色相互作用的媒介粒子，是“色场”的量子。两个不同色状态的夸克通过胶子紧密地结合在一起，所以胶子必定是双色的。分析表明，胶子只可能有8种色状态；所以在上表标出的胶子的个数为8。
光子和中间玻色子（W±及Z0）分别是电磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在电弱统一理论中，这四种粒子都是电弱作用的场量子，它们都是零质量的粒子。但是由于对称性的破缺，只有一种媒介子（光子)保持了零质量，而其他三种获得了巨大的质量。致使对称性破缺的机制，称为希格斯（Higgs)机制。所以理论上确信，必定还存在一种被称为希格斯粒子的粒子。
传递引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力场量子，它是自旋为2的零质量粒子。希格斯粒子和引力子，是理论上被预言而在实验中尚未得到存在的直接证据的两个粒子。
反粒子
无论是费米子还是玻色子都存在反粒子，但是只有费米子要满足费米子数守恒的规则。对费米子我们定义其费米子数为+1，对反费米子则定义其费米子数为-1，如此可发现在一个反应过程中费米子数总是守恒的。因此费米子总是以费米子-反费米子对的形式被产生和湮灭，比如e+e-或Q。比如，一束光子，如果其能量E\u003e2mc2，其中m是电子质量，则可以产生一对e+e-（此过程需要一个原子，以保证动量守恒），而一对e+e-也可以湮灭成光子，另一例子是，当大质量的恒星变成超新星时，费米子数守恒的过程e++e-→+将变得极为普遍。
色荷
夸克和胶子具有“色荷”，它是属于夸克和胶子的一种性质，物理学家将其分为三种，分别是红色、绿色和蓝色。组合三个各带一种不同荷的夸克，就产生一个粒子，比如说质子，这个粒子就是色荷中性的。换句话说，一个红色荷，一个蓝色荷和一个绿色荷的总和是无色的，颜色类比就是由此而来。每种色荷也有负值，称为反红、反蓝和反绿。这就给出了另一种形成色中性粒子的方式。如果一个夸克带有一种颜色，而一个反夸克带有相应的反色，那它们就可以束缚在一起形成介子推，这样色荷互相抵消而总和就是无色的。例如，夸克可能带了红色荷，而反夸克带了反红色荷，组合成；夸克带了蓝色荷而反夸克带了反蓝色荷，组合成。
复合粒子
由基本粒子所组成的较大的粒子，即为复合粒子。比如说，氢原子就是一个复合粒子。由复合粒子所组成的体系，它的波函数同样也存在着一个对称性与反对称性的问题。当复合粒子内含有双数的基本粒子时，则由复合粒子所组成的体系的波函数就是对称性的。当复合粒子内含有奇数的基本粒子时，则由复合粒子所组成的体系的波函数就是反对称性的。
主要理论
标准模型
20世纪60年代到70年代，粒子物理学在认识物质微观结构和运动规律方面取得了重大的、系统的进展，建立了粒子物理的标准模型。标准模型概括了两方面的内容：
1.物质世界是由62种粒子构成：13种规范玻色子，其中8种胶子g、还有光子、W+、W-、Z和引力子各1种；48种费米子，其中6种轻子，18种夸克及其它们的反粒子；希格斯粒子共1种。这62种粒子中，实验上现在还没得到存在的直接证据的唯一1种粒子是引力子。
2.粒子之间的四种基本相互作用：（1）色相互作用：媒介粒子为胶子g；（2）电弱相互作用：媒介粒子为、W+、W-、Z。能量低于250GeV时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用：①电磁相互作用，其媒介粒子为；②弱相互作用，其媒介粒子为W+、W-、Z。（3）引力相互作用：媒介粒子为引力子。（4）希格斯粒子汤川相互作用：媒介粒子为希格斯粒子。
粒子物理的标准模型完整地总结概括了现在已经知道的物质微观结构和相互作用的各种基本规律，并且得到多方面实验的大量验证。粒子物理的标准模型的建立以及它在各方面的成功，标志着物理学在探讨物质微观的结构和运动的基本规律方面正在进入物质世界的一个更深的层次。
量子色动力学
一般简称QCD，它与量子电动力学（QED)非常相似。不过QED是处理电磁相互作用的规范理论，而QCD则是处理强相互作用的规范理论；QED中是在带电粒子之间通过光子传递电磁相互作用，而QCD中是在夸克之间通过胶子传递色相互作用；QCD与QED的最本质的差别在于，它具有一种渐近自由的性质，即夸克之间的色相互作用强度随着距离的减小而逐渐趋于零，当夸克之间的距离增大时，色相互作用强度增大，从而有可能将夸克永远因禁于强子之中，这就是所谓的“色禁闭”现象。
电弱统一理论
严格的电弱统一理论是格拉肖（S.Glashow）1961年首先提出的，温伯格和萨拉姆（A.Salam）于1967—1968年完善的。在这个理论中，电磁作用和弱作用被视为属于SU（2）U（1）规范对称性的同一种相互作用，通过交换四种规范玻色子来实的两种表现形式。该理论的最重要预言是Z0玻色子的存在。这些预言于1983年的实验得到证实。关于中性弱流的预言也被多次实验所证实。这个理论的优点是可通过重正化方法消除发散困难，以极高的精度与实验结果相符合，成为理论物理学中最成功的理论。
实验粒子物理学
粒子物理学实验是粒子物理学一切研究工作的基础。粒子物理学实验的测量结果，是检验粒子物理学理论的唯一标准。一种粒子物理学理论，不论它从数学上来看如何完美，只要它不能正确地解释实验现象，就不能被粒子物理学家所承认。因此，每一时期粒子物理学实验研究所能达到的物质结构的深度就决定了这一时期粒子物理学发展的水平。
粒子物理学实验通常也被称为高能物理学实验，因为粒子物理学实验通常需要能量很高的粒子束流作为探测物质微观结构的基本工具。要研究微观粒子的结构，就需要把它们打碎。打碎它们需要的是高速的粒子束流，通常是电子、质子，以及它们的反粒子的束流。正如炮弹能量越大，穿透能力就越大一样，用来探索微观世界物质结构的粒子束流能量越高，就越容易打入到物质结构的更深层次。例如，用能量为几个电子伏特到几千电子伏特能量的电子或光子，可以深入原子，研究原子的结构。要研究原子核的结构，则要用能量至少为几百万电子伏特的粒子。要研究质子或中子的结构，则需要用能量至少为几十亿电子伏特的粒子。
粒子物理学实验需要高能的另一个原因是为了产生重的新粒子。根据著名的阿尔伯特·爱因斯坦质能公式，要产生的粒子越重，要求的能量就越高。我们周围的世界主要是由电子、质子和中子组成的，另外还有来自宇宙线的μ子。粒子物理学发现的大多数粒子都比它们重，必须用高能粒子束流打靴或对撞产生的。想要产生的新粒子越重，所需要的粒子束流能量就越高。
加速器实验
加速器是产生高能粒子束流的专门设备。带电粒子，如电子、正电子、质子等被注入到加速器里，在它的磁场的控制下运动，同时用电磁场不断地提高这些带电粒子的能量。最后将加速器束流引出来，去打靶，或者让两团高能束流对撞。粒子物理学实验就是观测这些高能的碰撞反应的产物，来研究物质微观结构。后一种让两团束流对撞的加速器，又称为对撞机。两束高能粒子束流相撞的能量要比一束高速粒子打在静止靶上的能量高得多。因此，近30年来建造的高能物理学实验用的加速器绝大多数都是对撞机。
高能加速器是高能物理学实验的关键设备。每个时期粒子物理学实验所能达到的物质结构层次的深度，实际就是由当时加速器所能提供的束流能量决定的。为了大量产生传递弱相互作用的中间玻色子Z0和W±。欧洲核子研究中心（日内瓦）专门建造了大型正负电子对撞机LEP。第1阶段质心系能量为92GeV，用以产生质量为91GeV的Z0。第2阶段质心系能量为170GeV，用以产生W﹢和W﹣粒子对，它们的质量均为80GeV。为了产生能量如此巨大的束流，LEP的周长为27km，横跨瑞士法国两国边境，耗资10多亿美元。现在，欧洲核子研究中心计划把LEP改造成质心系能量为1400GeV的质子质子对撞机，来寻找可能重达1000GeV的希格斯粒子。
非加速器实验
粒子物理学实验的另一个重要领域是非加速器实验。非加速器实验就是不使用加速器束流的粒子物理学实验。这种实验可以分成两大类。一类是宇宙线实验。宇宙线实验是用专门的探测仪器测量宇宙线粒子的性质。大多数非加速器实验都是属于宇宙线实验。另一类实验是近年来发展起来的研究地球上存在的粒子某些特殊性质的实验，如测量质子是否衰变的实验。
在粒子实验的早期，加速器技术不成熟，粒子物理学实验研究的主要方法是观测宇宙线。例如，正电子、μ子、π介子等许多粒子都是首先在宇宙线中观测到的。宇宙线实验为粒子物理学实验早期的发展做出了重大贡献。
宇宙线原始的成分主要是质子。它们来自宇宙空间其他的星系。它们的来源和加速器的机制还是一个有待解决的科学问题。质子进入大气层后，往往在大气层的顶部与空气的原子核发生相互作用，产生大量的次级粒子。这些粒子衰变产物主要是μ子，还有光子。在地面上的宇宙线观测到的主要是这些 子和光子。宇宙线实验的另一类观测对象是中微子。它们可能是来自太阳的中微子，也可能是来自宇宙空间的中微子，如超新星爆炸产生的中微子。这类实验往往设置在很深的山洞里，或数千米深的水下。这样，可以让宇宙线中绝大部分的μ子被岩石或水吸收。只有与物质作用十分微弱的中微子才能到达测量仪器。
主要实验室
布鲁克海文国家实验室：它的主要设施是相对论重离子对撞机，它碰撞金离子和极化质子等重离子。 它是世界上第一台重离子对撞机，也是世界上唯一的偏振质子对撞机。
布德克核物理研究所：位于俄罗斯新西伯利亚州，其主要项目是自2000年开始运行的电子-正电子对撞机VEPP-12，以及4年后开始实验的VEPP-13。
CERN（欧洲核子研究组织）：CERN 成立于1954年9月22日，总部位于日内瓦，它拥有的主要实验设施有：世界上最大的正负电子对撞机 LEP、 超大型质子同步加速器 SPS、28Gev 质子同步加速器 PS、反质子减速器 AD、大型强子对撞机LHC等。
费米国家加速器实验室：位于芝加哥西郊，主要设备为正反质子对撞机（Tevatron）和DO探测器。费米国家加速器实验室的复杂加速器环能够提供高能量的对撞，其最大可将质子束和反质子束加速到980GeV的能量，并产生质心系能量1.96TeV的对撞。在Tevatron加速器中设置有两个对撞点，分别位于CDF和DO这两个探测器的位置上，正反质子束流就在这两个探测器所在的位置上发生对撞。
高能物理研究所：位于北京，主要设备有正在运行的北京正负电子对撞机/北京谱仪/北京同步辐射装置、羊八井国际宇宙线观测站、大亚湾中微子实验装置、“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星、中国散裂中子源，正在建设的江门中微子实验装置、高海拔宇宙线观测站、阿里原初引力波探测实验、高能同步辐射光源等。
日本国家高能物理研究所：位于日本东京东北茨城县，由两个研究所组成：粒子和核研究所及材料结构研究所，筑波园内，建有一台开展BELLE实验的正负电子对撞机（KEKB）和一台开展K2K中微子震荡实验用的质子同步加速器（PS）。中子和μ子束流从PS增强器被引到进行各种固态实验的中子和μ子设施。
美国SLAC国家加速器实验室：位于美国，利用X射线自由电子激光器，实现了硬X射线区（可归类为小于0.2nm的波长）内的激光发射。
理论粒子物理学
理论粒子物理学试图研究和能够解释今天的实验结果和能够预言未来的实验结果的模型、理论构架和数学工具。今天在这方面有许多不同的努力。一个重要的工作点是更好地理解标准模型理论和其实验结果，从试验中获得更精确的参数，这个工作点测试标准模型理论的极限来扩大我们对自然的理解。这个工作最大的困难在于量子色力学中对多个物体计算时的困难。一些理论家将他们的精力集中在有效场论。另一个重要的工作点是建立超过标准模型理论的模型。由于今天的实验数据还不够，这个工作非常困难。新的理论结构有超对称、希格斯机制、阮桑模型、前子理论等等。第三个重要的工作点是弦理论，其目的在于统一量子力学和广义相对论。此外，还有一些其他的理论工作如圈量子引力理论等。
应用
原则上，所有物理学都可以源自对基本粒子的研究。在实践中，即使“粒子物理学”仅意味着“高能原子粉碎机”，在这些开创性的研究过程中也开发了很多研究装置和技术，如粒子加速器、超导技术等，这些装置和技术在社会上得到了广泛的应用。
粒子加速器的应用
在探索和变革原子核与基本粒子方面的应用：人们用加速器合成了绝大部分超轴元素和上千种人工放射性核素，并系统深入地研究了原子核的性质、内部结构以及原子核之间的相互作用过程，使原子核物理学迅速地发展成熟起来。随着加速器加速粒子能量的提高，还陆续发现了100多种所谓的“基本”粒子，催生了夸克模型以及电磁相互作用和弱相互作用相统一的理论，建立起粒子物理学这样一门新的学科，使人们对微观物质世界深层结构的认识深入到10-18m的领域。
在原子、分子物理、固体物理等非核基础科研方面的应用：利用加速器产生的电子、离子和光束研究粒子与原子、分子碰撞的物理过程以及所产生的一系列新的状态、新的同位素原子，有利于研究传统原子、分子物理学所无法研究的诸多问题。一种叫作“基于加速器的原子与分子科学”的研究方向正在发展之中。
高灵敏度离子束元素分析：单级和串列静电加速器等产生的低能离子束广泛地用来进行各种样品的元素分析，其主要技术有：①核反应分析（NRA）；②背散射（RBS）分析；③弹性反冲探测分析（ERDA）；④质子激发X射线荧光（PIXE）分析；超灵敏加速器质谱计（AMS）技术；活化分析。
加速器在医疗方面的应用：（1）医用放射性同位素的生产：加速器生产的缺中子同位素往往比反应堆生产的同位素更适宜于医用，因为它们的纯度和放射性比度都比较高，而且具有比较合理的半衰期。（2）放射治疗：加速器产生的电子、X射线、质子、中子等粒子都具有杀伤癌细胞的能力，都可能成为治疗癌症的有用工具。除了上述应用之外，加速器的粒子射线还可用来对一些不宜用化学方法消毒的物品，如疫苗、抗生素等进行辐射消毒，也可用来对一些手术器件进行辐照消毒等。
加速器在工业上的应用：（1）辐照加工：电子和X射线辐照目前已成为化工生产的一个重要手段，广泛应用于聚合物的交联改性，涂层的固化，橡胶的硫化，聚乙烯的发泡以及热缩材料、木材-塑料复合材料制备等加工过程。经辐照生产出来的产品有许多优良的特点。（2）离子注入：用加速器将所需的离子注入硅基片的技术早已成为半导体器件和大规模集成电路片生产所普遍使用的关键工艺。（3）无损检验：材料的无损检验是保证产品质量不可缺少的重要手段，加速器产生的X射线、中子等都可以用来检验材料的缺陷。特别是X射线，常常用来检查大型铸锻焊件、大电机轴、水轮机叶片、高压容器、反应堆压力壳、火箭的固体酒精等工件中的缺陷，所用的加速器主要是电子直线、电子回旋和电子感应加速器。电子直线加速器-X射线成像装置还用于海关大型集装箱的检测系统。检查处于快速运动状态下的爆炸飞散现象时则要采用大电流的电子脉冲加速器，进行“闪光”照相。
农业、生物学上的应用：（1）辐射育种：加速器产生的射线可以用来改变植物、微生物和动物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。（2）辐照保鲜：辐照能抑制根菜类，如马铃薯、洋葱、甜菜等的发芽，延迟果品成熟或变质，延长储藏和供应期。（3）辐照灭菌、杀虫脒：农产品、畜产品和水产品中都有某些有害的微生物与寄生昆虫，辐照处理可以杀虫、灭菌，延长保藏期。此外，粒子束技术在武器装备领域也有巨大的应用潜力。粒子束定向能武器作为粒子束技术在国防领域的重要应用之一，受到军事强国的重点关注与研究。
超导技术的应用
电子学应用：自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在电子学中的应用揭开了新的篇章,经过多年的发展，至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。超导量子干涉器是一种磁通量—电压转换器件，如果用一个简单的输入变压器，就转变成电流——电压放大器。这种放大器灵敏度极高，带宽能够达到兆赫，没有相位畸变，噪声极小。例如SQUID磁强计能够测量非常微弱的磁场，其分辨率能够达到10-11Gs左右，可以用来测量人体的微弱磁场，描绘出心磁力和脑磁图。超导混频器利用布赖恩·约瑟夫森结的变频作用，将高频信号转换成中频信号,主要应用于无线电技术中。
生物医学中的应用：超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成像装置（MRI）和核磁共振谱（NMR）。核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。目前，核磁共振成像装置已广泛用于医学诊断中，例如用于早期肿瘤和心血管疾病等的诊断，它能准确检查发病部位，无损伤和辐射作用，并且诊断面非常广。核磁共振谱仪是基于核磁共振原理而研制出来的，它目前已广泛用于物理、化学、生物、遗传和医药学等领域的研究中，具有高分率、高频率、高磁场等优点。
科学工程和实验室应用：科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。
高温超导电缆：高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有截流能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。它由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分组成。其中电缆芯是高温超导电缆的核心部分，包括通电导体、电绝缘和屏幕导体等主要部件。
超导限流器：超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性,有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快,正常运行时的损耗很低能自动复位，克服了常规保险丝只能使用一次的缺点。
超导变压器：超导变压器是一种静止单元的电机，其设计一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导线绕组，超导绕组置于低温容器中，而变压器铁芯一般仍处在室温条件下。超导变压器的优点是重量轻、体积小、效率高、无火灾隐患以及无环境污染等，同时具有一定的限流作用。一般而言，超导变压器的重量（铁芯和导线）仅为常规变压器的40%甚至更小,特别是当变压器的容量超过300MV·A时，这种优越性将更为明显。
交通应用：超导技术在交通方面的应用是随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求而产生的。超导磁浮列车利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触而悬浮于轨道之上，并利用直线电机驱动列车运动的一种新型交通工具。由于超导磁悬浮列车的时速高达500km/h，并具有安全、噪音低和占地小等优点，因此被认为是未来理想的交通运输工具。
发展前景
粒子物理已经深入到比强子更深层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造，无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类、它们的性质以及它们的可能的内部结构。
弱电相互作用统一理论目前取得的成功，特别是弱规范粒子W+、W-和Z0的发现，加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。但黑格斯粒子是否存在的问题尚有待于继续澄清。
夸克之间强相互作用的一些根本性的重大问题，如因禁、碎裂等，目前还没有解决，在今后一个时期，强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。
把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论，近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。另外，从发展趋势来看粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。
物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探测手段的出现，将是意义深远的。
争议
“对撞机是人类探索微观物质世界的“超强显微镜’。科学家要研究的粒子愈微小，选用的对撞机体积就要愈庞大、粒子加速的能级也越高。”中国北京正负电子对撞机BEPC的能级很难推动中国高能物理的进一步发展，2012年，以王贻芳为首的中国物理学家在国际上独立地首次提出环形正负电子对撞机——超级质子对撞机CEPC-SPPC（Circular Electron Positron Collider and Super Proton Positron Collider）的设想，该项目计划在中国建设周长为50～100km、能量为250GeV的环形正负电子对撞机，利用同一隧道，再建造一台能量为50～70TeV的超级质子对撞机，该对撞机建成后，能量会比欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider)高7倍，同时耗资巨大，或将成为中国耗资最多的大型科学装置。
关于中国现在是否适宜建设大型对撞机的争论，已经发展成为世界高能物理领域的一场大争论，争论主要围绕以下几方面展开，首先是经费问题，支持方的代表王贴芳提出“分两步走”策略，并采用了分解法和类比法对CEPC与SPPC进行估价，预估CEPC与SPCC的工程造价分别是400亿人民币（约60亿美元）和1000亿人民币（约150亿美元），此项目采取国际合作的方式，国际贡献约占30%，德国慕尼黑大学OtmarBiebel教授认为“中国是上升中的大国”，有能力承担这笔支出。反对方的代表杨振宁认为，美国超导超级对撞机SSC（SuperconductingSuperCollider）的下马已经说明建造大型对撞机在花费方面是个无底洞。其次是机遇问题，支持方代表王贴芳、韩涛的观点主要是，目前日本拟建国际直线对撞机ILC（International LinearCollider）处于观望阶段，欧洲CERN忙于运行LHC，美国高能物理的研究重点是中微子实验，对建造大型对撞机尚无计划，这给中国建造大型对撞机带来难得的十年“窗口期”，我们不应错失良机。剑桥大学天文物理学家DidierQueloz教授认为“中国现在建造大型粒子对撞机可以获得该领域的优先级”。反对方却认为建造大型对撞机并不是发展中国高能物理学唯一的出路，德国马克思普朗克研究所的ChristophKeitel教授认为“激光粒子加速器就很有发展潜力”。再次是社会价值问题，根据牛津大学物理学家菲利普·彪罗斯（PhilipBurrows）统计，最初为解决基础物理问题而设计的加速器，目前世界约有25000台，但其中只有大约0.5%用于物理研究，而其余99.5%被用于生物医学、工业等其他领域。支持方王贴芳、徐庆金等也认为，开发大型对撞机项目，对社会经济民生会有巨大的推进作用，可以带动中低端产业的技术升级，为广大国民提供更多高质量的就业机会，当时美国SSC项目的强力支持者戴维·格娄斯（DavidGross)称这一方案“有望做出的科学发现，对科技进步的贡献以及对整个中国的贡献，都会被永久铭记”。反对方代表杨振宁认为超大对撞机对人类生活30年、50年内不会有实在的好处，而且中国仍然是一个发展中国家，建造超大对撞机费用奇大，影响其他社会民生问题的解决。
参考资料
高能物理研究所.中国科学院高能物理研究所.2023-12-18