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杨海军:与“上帝粒子”结缘的青年科学家
发表时间 2017-10-25 15:52 来源 本站原创

  在粒子物理领域,希格斯粒子被认为是物质的质量之源,并被称为“上帝粒子”。它是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子,是W/Z玻色子、轻子、夸克等形成质量的基础,其他粒子在希格斯粒子形成的场中游弋并产生“阻力”而获得质量。2012年7月,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC上的ATLAS和CMS大型国际合作实验组同时发现了希格斯粒子。紧接着在2013年,粒子物理理论家弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯就因为在理论上提出希格斯粒子问鼎当年的诺贝尔物理学奖。

  在“上帝粒子”引发全球关注的时刻,一位来自中国的物理学家也由于在希格斯粒子研究中的不凡贡献备受瞩目,他就是国家“青年千人计划”专家、上海交通大学物理与天文系教授杨海军。

  海外学子载誉归国

  杨海军,上海交通大学物理与天文系教授,上海“千人计划”、国家“青年千人计划”专家。他于2000年获得中国科学院高能物理研究所和瑞士联邦理工学院联合培养博士学位;2000年至2012年在美国密歇根大学物理系工作,先后从事欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机(LEP)的L3实验,美国费米国立加速器实验室的MiniBooNE实验和欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的ATLAS实验的前沿研究工作,致力于寻找希格斯粒子。

  2004-2009年间,杨海军参与了美国费米国立加速器实验室(FNAL)的MiniBooNE实验,通过探测中微子振荡来探索超出标准模型的新物理现象。他对MiniBooNE实验的事例重建和中微子振荡数据分析作出了重要贡献,研究结果发表在Physical Review Letters上,被美国物理研究所(AIP)评为2007年度十大物理学进展之一。在这期间,杨海军在研发和运用先进的“Boosted Decision Trees (BDT)”方法做粒子鉴别领域作出了开创性的工作,该算法已收录进CERN多变量数据分析软件包(TMVA),并广泛应用于大型国际合作实验的数据分析,包括在CERN/LHC上发现希格斯粒子和在Fermilab/Tevatron发现单顶夸克等。

  2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布探测到希格斯粒子,而物理分析中采用的方法正是杨海军最先提出的先进多变量分析方法-BDT。这进一步肯定了杨海军在粒子物理学领域所做出的突出贡献。在国际顶级的高能物理实验室和世界一流的大学学习和工作了十多年后,他在2012年决定回国发展,期望在上海交通大学建立一支在国际上有影响力的高能物理实验团队,参与大型国际合作实验,为我国的粒子物理学发展贡献一份力量。

  随着科研项目的不断进展,2013年起,杨海军又担任了上海交通大学粒子与核物理研究所副所长,未来大型环形正负电子对撞机-超级质子对撞机(CEPC-SPPC)执行委员会核心成员、CEPC量能器召集人;2016年起,担任ATLAS 中国组(USTC-SDU-SJTU)负责人以及科技部国家重点研究计划-大科学装置CEPC项目探测器关键技术研究课题负责人。2017年起,他担任上海交通大学粒子与核物理研究所所长。

  “我们这代人现在能做的,就是希望在中国推动和建立一个世界级的高能物理研究中心,培养一大批优秀人才,为下一代能在高能物理最前沿做出重大贡献搭建平台,为他们种一棵能乘凉的大树。”踌躇满志的杨海军正在用实际行动履行他回国后的诺言。

  未知世界艰辛探索

  参与希格斯粒子的发现与证实,一直是杨海军最令人称道的成就之一。这项成就也使他感到无比荣耀和自豪,因为他为这一划时代的伟大发现贡献了一份力量。“从提出‘上帝粒子’这个理论到发现,将近半个世纪。成千上万的科学家为此而奉献,很多科学家遗憾地离开。我参与研究‘上帝粒子’十几年,能亲自在实验中看到它的存在,感觉这辈子都值了。”

  实际的确如此。

  从1964年开始,全世界从事该领域研究的物理学家们就孜孜不倦地设计各种实验来观测和证实存在“上帝粒子”这一大胆的理论预言。1997年,杨海军以联合培养博士研究生的身份幸运地来到欧洲核子研究中心从事研究工作,他参与了在大型正负电子对撞机LEP上的L3实验组(L3实验组由诺贝尔奖获得者、著名物理学家丁肇中教授领导),逐渐开始了对希格斯粒子的寻找。然而,在当时,遗憾的是,实验证明LEP对撞机能量不够高,无法直接产生希格斯粒子。后来,LEP为了给现在的LHC腾出对撞环和实验区而关闭了。

  2008年9月,在瑞士和法国交界地区地下100米深处的周长为27公里的环形隧道里,大型强子对撞机安装完毕。这是人类有史以来规模最庞大、能量最高的质子对撞机。借助这台超级装置,两个各自拥有3000余名研究人员规模的大型国际合作实验ATLAS和CMS同步进行。全球80多个国家近万名科学家和工程师蓄势待发,参与大型强子对撞机实验。

  2005年开始,杨海军参与到LHC的ATLAS国际合作实验项目中,并在2009~2013年成为ATLAS实验组大批量实验数据处理的联络人之一,负责蒙特卡洛模拟数据和实验对撞数据的处理,用于物理分析。同时,他还直接参与希格斯衰变到四轻子“黄金衰变道”的数据分析发现了希格斯粒子。“这无疑是一条漫长而艰辛的路,需要全世界的科学家为之努力,而且需要长期坚持不懈。”杨海军非常清楚这项研究的未知和艰难。

  数据分析推动进展

  “希格斯粒子的发现和证实面对的是超乎想象的数据,融汇了全球最优秀的物理学家的团队合作的强大力量。”杨海军表示,“如果说建造世界上最大的大型强子对撞机是为了提高粒子对撞能量,为希格斯粒子的产生提供更大可能;建造大型的探测器是为了把所有碰撞后产生粒子的信息都准确地记录下来;那么,要想找到神秘的‘上帝粒子’,还必须有最先进的粒子鉴别算法在碰撞后进行鉴别筛选。因为平均每1万亿次碰撞事例才能产生一个希格斯粒子,碰撞后产生的粒子不仅数量多,种类也繁多,如果没有有效的粒子鉴别筛选方法,即使产生了希格斯粒子,也将从我们眼皮底下溜过去。”

  杨海军表明,所需粒子的筛选、发现和证实是一个异常艰难的过程。

  在发现并证实希格斯粒子存在的过程中,一项名为“推进的决策树-BDT”的数据分析方法起到了关键性作用。而将这种先进的数据分析方法最早引入粒子物理领域的,正是杨海军和他在美国密歇根大学的同事。2004年,他们率先将BDT方法用于美国费米国立加速器实验室的MiniBooNE实验,使得粒子鉴别效率比原有的人工神经网络方法有显著提高。他以第一作者或通讯作者发表了4篇系统研究BDT的论文。这几篇BDT论文对整个粒子物理学界以及相关暗物质和暗能量探测的实验数据分析,起到了重要的影响和推动作用。在美国费米国立加速器实验室发现单顶夸克粒子产生,和在LHC实验上发现希格斯粒子,正是以BDT作为主要的数据分析手段。

  因为该方法在实际应用上的优越性能,接下来的十多年,世界范围内的众多大型粒子物理实验组和理论家已经广泛采用BDT方法作为主要的物理分析工具。BDT方法在2007年被欧洲核子中心CERN的多变量数据分析软件包(TMVA)收录后,中心的ATLAS、CMS、LHCb和ALICE等大型国际合作实验组也都开始使用BDT。最终,为证实希格斯粒子的存在起到了关键性的作用。

  设想证实梦想成真

  希格斯粒子是用来解释世间万物质量起源的,是物理学界最重大的问题之一。与之相对应的就是希格斯场。根据目前的理解,所有粒子在宇宙大爆炸刚发生后都是无质量的。随着宇宙的冷却、温度降低到某一临界值,一种无形的场——“希格斯场”开始形成,并充满整个宇宙空间。基本粒子,譬如W±和Z0玻色子,通过与希格斯场相互作用获得质量,粒子与场之间相互作用越强,粒子获得的质量就越重。

  那么,希格斯场是怎么做到让很多粒子带上质量的?有一个经典的比喻:假设将充满真空的希格斯场变成崇拜偶像的粉丝们,这些粉丝充满了一个大厅。现在,物质粒子进场,这些粒子有些是贵族,有些是名人,其中,还有一位是英国女王。也许英国女王最有名,最值得粉丝们求合影求签名,她在这个大厅的行进速度最慢,从而质量最大。其次可能是某些足球明星,他行进的速度比女王稍快,再其次是其他名人。所以,物理粒子因为被希格斯场“缠”上了,才有了质量。类似于光子是电磁场的量子,希格斯粒子是希格斯场的量子。因为不能直接观察到希格斯场,所以,科学家们利用大型强子对撞机实验(LHC)来直接产生和观测希格斯粒子,进而证明希格斯场的存在。

  杨海军进一步表示,希格斯场的存在不仅保持了电弱相互作用理论的内在对称性,而且也解释了我们在自然界中观察到的对称性破缺现象。如果没有用于产生基本粒子质量的希格斯场存在,所有的粒子都将以光速运动,原子、分子无法形成,我们所熟知的物理世界也将不复存在。

  “不过,从理论假设最终变成了事实,用了近半个世纪。”杨海军表示,更令科学家们兴奋的是,希格斯粒子的发现使他们意识到,人类目前对自然界的认识虽然有了质的飞跃,但仍是个开端。好比看到了冰山露出水面的部分,而水面下的大部分未知领域仍有无数的奥秘等待我们去探索和挖掘。

  回国后的杨海军比以前更忙碌。

  在他的积极推动下,上海交大已经加入了ATLAS和CALICE国际合作组,开始了与数十个世界一流大学的紧密合作,共同致力于大型国际合作项目中前沿重大课题的研究。

  “在我国综合国力快速上升的今天,我们能否为未来规划更加宏伟的蓝图,使得中国在20-30年后成为世界高能物理学界的主导者和基础物理研究的引领者?”杨海军如是说。

  在发现希格斯粒子后,中国高能物理学界提出了在国内建造大型环形正负电子对撞机的设想,约100公里长,是当今世界上最大对撞机LHC的4倍。如若实现,将在“干净”的正负电子对撞实验上大量制造希格斯粒子来精确研究其性质,深入研究基本粒子质量的起源,探索超出标准模型的新物理,为未来基础物理学指引方向。

  正如2004年诺贝尔物理学奖得主DavidGross所说:“现在中国有一个很好的机会在自然科学基础研究方面起领导作用……我把这个梦想叫做‘中国大加速器(TheGreatAccelerator)’,这会和长城一样引人瞩目,但会比长城作用更大。”

  这对杨海军和粒子物理同行来说意义尤其深远,因为他们的梦想将随着宏伟的中国梦一同起航。