1.理论物理研究

大自然包罗万象、纷繁复杂，但其背后的基本物理规律简洁而优美。经过几个世纪的探索，人类对物质世界的基本结构和相互作用类型都有了深刻的理解。粒子物理标准模型为极小尺度基本粒子及其相互作用提供了精确描述，广义相对论则刻画了支配宏观世界运作的引力相互作用，以此为基础建立的宇宙学标准模型告诉我们宇宙如何从诞生演化到今天。

“极小”微观尺度 “极大”宏观尺度

虽然这些理论得到了实验观测的强烈支持，但仍然存在一些证据表明标准模型并不是描述自然的终极理论。关于“极小”和“极大”还有很多未解之谜，理论物理学家仍在继续追问着“我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？”……解说词

“极小”相关科学问题

物质的最小组成部分究竟是什么？

是否存在比夸克更小的基本粒子？

物质为何多于反物质？

质子会衰变吗？

中微子是其自身的反粒子吗？

质量是如何起源的？...

“极大”相关科学问题

宇宙大爆炸从何处开始？

宇宙是由什么构成的？

为什么存在黑洞？

超高能宇宙射线是如何起源的？

高能宇宙中微子是如何起源的？

何以破解致密星体及其物质结构的奥秘？...

2.宇宙的起源

自上世纪末以来，宇宙学研究取得了重大进展，多种天文观测结果强烈支持极早期宇宙存在一个暴胀阶段。此时，空间以指数形式快速膨胀，形成各向同性和均匀的宇宙。暴胀结束后，物质通过大爆炸产生，经历百亿年的膨胀演化，早期的微小涨落形成了今天宇宙的丰富结构。

然而，人们对暴胀的物理机制知之甚少，引力的量子效应在暴胀阶段也必定十分显著。诱发宇宙结构形成的种子来源于量子涨落吗？与量子引力相关的原初引力波存在吗？

极早期宇宙的量子涨落

3.物质和质量的起源

希格斯粒子的发现为标准模型补足了最后一块拼图。大部分基本粒子通过与希格斯场的相互作用在电弱对称性自发破缺后获得质量。然而，希格斯粒子自身以及中微子的质量如何产生仍旧是一个谜。另一方面，观测表明宇宙中的物质远多于反物质，解释这一现象需要理论本身在微观层次上破坏空间反演和正反粒子之间的对称性。不仅如此，暗物质和暗能量的存在也都难以用标准模型来解释。

粒子物理标准模型

基本粒子的质量果真起源于电弱对称性自发破缺吗？即便如此，希格斯粒子的质量如何产生？中微子的微小质量来自何处？宇宙早期电弱相变又伴随发生了哪些物理过程？后者是否与宇宙的物质-反物质不对称有关？暗物质和暗能量的本质是什么？

为了寻找这些基本问题的答案，理论物理学家从各种可能的角度出发，探索超出标准模型的新物理，研究宇宙早期基本粒子的性质。期待在不久的将来，可以建立一个比标准模型更精致、更强大的基本理论，同时理解宇宙在“极小”与“极大”尺度的内在规律。

4.物质的基本结构

在四种基本相互作用中，强相互作用的强度最大，它将夸克“禁闭”起来，形成包括质子和中子在内的强子束缚态。迄今为止，人类还无法从强相互作用基本原理出发准确地理解这一“禁闭”现象。如何以标准模型为基础有效地研究和计算强子的性质，仍然是极富挑战性的理论问题。

为了定量理解强子束缚态，理论家采用微扰场论的方法对相互作用较弱的部分进行准确计算。对于相互作用较强的部分，则采用格点量子色动力学方法，把四维时空切分成小格子，设想夸克和胶子在格子上流动，从而数值计算它们的动力学状态以及不同状态之间的转化。

格点量子色动力学方法

可从两方面寻找夸克“禁闭”问题的答案：通过超级计算机在格子上进行模拟，以及对强子能谱、结构及其衰变性质的研究。对比计算结果与对撞机实验的观测结果，理论家将进一步验证标准模型理论的正确性。

5.引力与时空的本质

广义相对论揭示出引力与时空的深刻联系，黑洞则展示了时空弯曲到极致的无尽可能。近年来黑洞照片的拍摄和引力波天文学的开启，为人类探索宇宙深处打开了一扇新窗口。

黑洞照片EHT collaboration 黑洞并合产生的引力波信号

然而，对于引力与时空的本质，人们仍充满疑问。看上去连续的时空可能由分立的信息片段构建出来吗？被黑洞吞噬的信息如何通过霍金蒸发释放出来？这些问题的回答可能为人类搜寻量子引力的终极理论提供重要线索。

6.代表性理论成果

强子物理和格点计算物理

在国际上首次发现了强子结构“三角奇异性”的可观测效应，为深刻理解近阈强子态的结构和性质以及寻找赝标量胶球指明了方向。

利用大型格点计算，系统地预言了各类胶球的质量谱和产率，为BESIII实验寻找胶球提供了重要的理论判据。

相关工作荣获中国物理学会“吴有训物理奖”，被粒子物理学界的国际权威数据组Particle Data Group连续收录。

粒子宇宙学

在国际上提出理解暗能量起源的“精灵”（Quintom）理论，引领了粒子宇宙学研究的一个新方向，相关论文的单篇引用率超过1000次。

提出了宇宙学检验电荷-宇称-时间反演（CPT）对称性的新方法，得到学术界的充分肯定。

中微子理论

在国际上率先提出轻子的“近似三双最大”味混合模式，引领了中微子理论研究的一个新方向。

率先完成了针对中微子质量起源的正统理论机制的完整参数化及其与标准模型有效场论的单圈匹配。