追尋“上帝粒子”的蹤跡助推中國“大加速器夢(mèng)”——記上海交通大學(xué)物理與天文系教授楊海軍

本刊記者 廖瀟莎

從1994年LHC項(xiàng)目的批準(zhǔn)，設(shè)計(jì)到建造，這項(xiàng)耗資百億美元的龐大工程終于歷經(jīng)14年，于2008年正式建成。在短短的4年時(shí)間后，2012年7月歐洲核子研究中心（CERN）在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)中（ATLAS和CMS）發(fā)現(xiàn)了期待已久的希格斯玻色子，也就是人們所熟知的“上帝粒子”。

“從提出‘上帝粒子’這個(gè)理論到現(xiàn)在，將近半個(gè)世紀(jì)。成千上萬的科學(xué)家為此而奉獻(xiàn)，很多科學(xué)家遺憾地離開。我參與研究‘上帝粒子’十幾年，能親自在實(shí)驗(yàn)中看到它的存在，感覺這輩子都值了?！鄙頌樯虾＝煌ù髮W(xué)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人的楊海軍感到無比欣慰和自豪，因?yàn)樗麨檫@一劃時(shí)代的偉大發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)了一份力量。

追尋上帝粒子的足跡

1998年，時(shí)年24歲的楊海軍通過中國科學(xué)院高能物理研究所和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH, Zurich，導(dǎo)師Martin Pohl教授)聯(lián)合培養(yǎng)到歐洲核子研究中心（CERN）的L3國際合作組攻讀博士學(xué)位，2000年獲得粒子物理與原子核物理博士學(xué)位。2000～2012年，他在美國密歇根大學(xué)物理系任博士后和研究員時(shí)就展露出突出的科研能力。2004～2009年期間，他作為美國密歇根大學(xué)研究小組的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人(PI)參與美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室的MiniBoo NE中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，研究成果被美國物理聯(lián)合會(huì)評(píng)為2007年度十大物理學(xué)進(jìn)展之一。

超群的科研稟賦，為楊海軍追尋上帝粒子贏得了成功的機(jī)會(huì)。而他最早開始追尋上帝粒子始于2000年，他當(dāng)時(shí)來到歐洲核子研究中心從事博士后研究工作，在LEP對(duì)撞機(jī)上的L3實(shí)驗(yàn)組，開始了對(duì)希格斯粒子的尋找。這項(xiàng)工作由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名物理學(xué)家丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)。然而，在當(dāng)時(shí)，遺憾的是，實(shí)驗(yàn)證明LEP對(duì)撞機(jī)能量不夠高，無法直接產(chǎn)生希格斯粒子，后來，為了給現(xiàn)在的LHC騰出對(duì)撞環(huán)和實(shí)驗(yàn)區(qū)而關(guān)閉了。

實(shí)際上，從1964年開始，科學(xué)家就孜孜不倦地設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)來觀測(cè)和證實(shí)存在“上帝粒子”這一大膽的理論預(yù)言。

楊海軍早年曾在美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室做過研究。他告訴記者，當(dāng)時(shí)，Tevatron對(duì)撞機(jī)也把目標(biāo)瞄準(zhǔn)希格斯。對(duì)撞機(jī)的能量足夠高，也能直接產(chǎn)生希格斯粒子和在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中看到希格斯的蹤跡，但是實(shí)驗(yàn)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性不夠高。Tevatron實(shí)驗(yàn)的對(duì)撞能量和產(chǎn)生希格斯粒子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及LHC實(shí)驗(yàn)，因此在2011年9月費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室決定關(guān)閉了Tevatron。

終于，2008年9月，在瑞士和法國交界地區(qū)地下100米深處的周長為27公里的環(huán)形隧道里，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安裝完畢。這是人類有史以來規(guī)模最龐大、能量最高的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。借助這臺(tái)超級(jí)裝置，兩個(gè)各自擁有3000余名研究人員規(guī)模的大型國際合作實(shí)驗(yàn)ATLAS和CMS同步進(jìn)行。全球80多個(gè)國家近萬名科學(xué)家和工程師蓄勢(shì)待發(fā)，參與大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。

2005年開始，楊海軍參與到LHC的ATLAS國際合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，2009～2013年成為ATLAS實(shí)驗(yàn)組大批量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的聯(lián)絡(luò)人之一，負(fù)責(zé)Monte Carlo模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)對(duì)撞數(shù)據(jù)的處理，用于后繼的物理分析。同時(shí)，他還直接參與希格斯衰變到四輕子“黃金衰變道”的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。“這無疑是一條漫長而艱辛的路，需要全世界的科學(xué)家為之努力，而且需要長期堅(jiān)持不懈?！睏詈＼姺浅Ｇ宄@項(xiàng)研究的未知和艱難。

貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵一環(huán)

2012年，英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯與比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒因希格斯粒子的理論預(yù)言獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。雖然獲獎(jiǎng)?wù)咧挥袃扇?，但這項(xiàng)龐大的工作是在全球科學(xué)家通力協(xié)作才能完成的，這其中的中國力量不容小覷。

“如果說建造世界上最大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是為了提高粒子能量，為希格斯玻色子的產(chǎn)生提供更大可能，建造大型的探測(cè)器是為了把所有碰撞后產(chǎn)生粒子的信息都準(zhǔn)確地記錄下來；那么，要想找到神秘的‘上帝粒子’，還必須有最先進(jìn)的粒子鑒別算法在碰撞后進(jìn)行鑒別篩選。因?yàn)槠骄?萬億次碰撞事例才能產(chǎn)生一個(gè)希格斯玻色子，碰撞后產(chǎn)生的粒子不僅數(shù)量多，種類也繁多，如果沒有有效的粒子鑒別篩選方法，即使產(chǎn)生了希格斯玻色子，也將從我們眼皮底下溜過去?！睏詈＼娊榻B了篩選、發(fā)現(xiàn)、證實(shí)所需粒子的艱難。

在發(fā)現(xiàn)并證實(shí)希格斯玻色子存在的過程中，一項(xiàng)名為“推進(jìn)的決策樹-BDT”的數(shù)據(jù)分析方法起到了關(guān)鍵性作用。而將這種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法最早引入粒子物理領(lǐng)域的，正是楊海軍和他在美國密歇根大學(xué)的同事。2004年，他們率先將BDT方法用于美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室的MiniBooNE實(shí)驗(yàn)，使得粒子鑒別效率比原有的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有顯著提高。他以第一作者或通訊作者發(fā)表了4篇系統(tǒng)研究BDT的論文。這幾篇BDT論文對(duì)整個(gè)粒子物理學(xué)界以及相關(guān)暗物質(zhì)和暗能量探測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，起到了重要的影響和推動(dòng)作用。后來在美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)單頂夸克粒子，正是以BDT作為主要的數(shù)據(jù)分析手段。

因?yàn)樵摲椒ㄔ趯?shí)際應(yīng)用上的優(yōu)越性能，接下來的近10年，世界范圍內(nèi)的眾多大型粒子物理實(shí)驗(yàn)組和理論家已經(jīng)廣泛采用BDT方法作為主要的物理分析工具。而BDT方法在2007年被歐洲核子中心CERN的多變量數(shù)據(jù)分析軟件包（TMVA）收錄后，中心的ATLAS、CMS、LHCb 和ALICE等實(shí)驗(yàn)組也都開始使用BDT。最終，為證實(shí)希格斯玻色子的存在起到了關(guān)鍵性的作用。

專家簡介：

楊海軍，上海交通大學(xué)物理與天文系教授，粒子物理宇宙學(xué)研究所副所長，博士生導(dǎo)師，粒子物理學(xué)科帶頭人，入選“國家青年千人”和“上海千人”計(jì)劃。目前為上海交通大學(xué)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)組的負(fù)責(zé)人，主要參與大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的ATLAS國際合作實(shí)驗(yàn)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)的BESIII合作組和未來高能環(huán)形對(duì)撞機(jī)(CEPC-SPPC)的預(yù)研。

2000年獲中國科學(xué)院高能物理研究所和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位。2000年至2012年在美國密歇根大學(xué)物理系任職。2012年起受聘上海交通大學(xué)物理與天文系教授。2013年起任中國大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)—超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目執(zhí)行委員會(huì)核心成員。先后參與歐洲核子研究中心（CERN）大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）的L3實(shí)驗(yàn)（1997～2005年），美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室的MiniBooNE實(shí)驗(yàn)（2003～2009年）和歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的ATLAS實(shí)驗(yàn)（2005年起至今），對(duì)希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻(xiàn)。

證明希格斯場(chǎng)的存在

“上帝粒子”是用來解釋世間萬物質(zhì)量起源的，是物理學(xué)界最重大的問題之一。楊海軍說：“科學(xué)家的研究有很多領(lǐng)域有淺顯的，也有繁瑣深?yuàn)W的。我希望可以挑戰(zhàn)自己，用我的一生去攻克一個(gè)難題?！边@個(gè)難題，恐怕就起源于“上帝粒子”。

楊海軍說，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論內(nèi)在的對(duì)稱性要求基本粒子是無質(zhì)量的，但是在實(shí)驗(yàn)上我們觀察到絕大部分基本粒子具有質(zhì)量。因此，對(duì)于粒子質(zhì)量的來源，理論和實(shí)驗(yàn)觀察之間存在非常尖銳的矛盾。為了解決這一棘手難題，三個(gè)相互獨(dú)立的研究小組（F.Englert and R. Brout; P.W. Higgs;G. Guralnik, C. Hagen, and T.W.B.Kibble)于1964年分別提出了一種機(jī)制來解釋對(duì)稱性破缺這一問題。一旦把這個(gè)想法納入到理論公式中，電弱相互作用對(duì)稱性破缺機(jī)制將使基本粒子獲得質(zhì)量。彼得·希格斯明確指出，該機(jī)制的成立需要有一個(gè)當(dāng)時(shí)未知的粒子存在，現(xiàn)今我們稱之為希格斯玻色子。

楊海軍告訴記者，根據(jù)目前的理解，所有粒子在宇宙大爆炸剛發(fā)生后都是無質(zhì)量的。隨著宇宙的冷卻、溫度降低到某一臨界值，一種無形的場(chǎng)——“希格斯場(chǎng)”開始形成，并充滿整個(gè)宇宙空間?；玖Ｗ?，譬如W±和Z0玻色子，通過與希格斯場(chǎng)相互作用獲得質(zhì)量，粒子與場(chǎng)之間相互作用越強(qiáng)，粒子獲得的質(zhì)量就越重。

那么，希格斯場(chǎng)是怎么做到讓很多粒子帶上質(zhì)量的？有一個(gè)經(jīng)典的比喻：假設(shè)將充滿真空的希格斯場(chǎng)變成崇拜偶像的粉絲們，這些粉絲充滿了一個(gè)大廳?，F(xiàn)在，物質(zhì)粒子進(jìn)場(chǎng)，這些粒子有些是貴族，有些是名人，其中，還有一位是英國女王。也許英國女王最有名，最值得粉絲們求合影求簽名，她在這個(gè)大廳的行進(jìn)速度最慢，從而質(zhì)量最大。其次可能是某些足球明星，他行進(jìn)的速度比女王稍快，再其次是其他名人。所以，物理粒子因?yàn)楸幌８袼箞?chǎng)“纏”上了，才有了質(zhì)量，例如電子。類似于光子是電磁場(chǎng)的量子，希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的量子。因?yàn)椴荒苤苯佑^察到希格斯場(chǎng)，所以，科學(xué)家們利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（LHC）來產(chǎn)生和觀測(cè)希格斯玻色子，進(jìn)而證明希格斯場(chǎng)的存在。

楊海軍向記者詳細(xì)描述了證明希格斯場(chǎng)存在的意義。他說，希格斯場(chǎng)的存在不僅保持了電弱相互作用理論的內(nèi)在對(duì)稱性，而且也解釋了我們?cè)谧匀唤缰杏^察到的對(duì)稱性破缺現(xiàn)象。如果沒有用于產(chǎn)生基本粒子質(zhì)量的希格斯場(chǎng)存在，所有的粒子都將以光速運(yùn)動(dòng)，原子、分子無法形成，我們所熟知的物理世界也將不復(fù)存在。

成就大加速器的夢(mèng)想

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)堪比人類登月的偉大發(fā)現(xiàn)，令無數(shù)科學(xué)家歡欣雀躍，因?yàn)檫@預(yù)示著高能物理又一黃金時(shí)代的到來。楊海軍也表示：“‘上帝粒子’的發(fā)現(xiàn)使人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍，但僅僅是個(gè)開端，我們所知的不過是冰山的一角，其背后還隱藏著無數(shù)深?yuàn)W的秘密。我們還將繼續(xù)投入到‘上帝粒子’的研究當(dāng)中去?！?/p>

2012年，楊海軍在國際頂級(jí)的高能物理實(shí)驗(yàn)室和世界一流的大學(xué)學(xué)習(xí)和工作了十多年后，決定回國發(fā)展，期望在上海交通大學(xué)建立一支在國際上有影響力的高能物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，參與大型國際合作實(shí)驗(yàn)。在他的推動(dòng)下，上海交大已經(jīng)加入了ATLAS國際合作組，開始了與數(shù)十個(gè)世界一流大學(xué)的緊密合作，共同致力于大型國際合作項(xiàng)目中前沿重大課題的研究。

在他看來，研究“上帝粒子”將是一個(gè)漫長而艱辛的歷程。他回國的初衷明確而清晰，“我們這代人現(xiàn)在能做的，就是希望在中國推動(dòng)和建立一個(gè)世界級(jí)的高能物理研究中心，培養(yǎng)一大批優(yōu)秀人才，為下一代能在高能物理最前沿做出重大貢獻(xiàn)搭建平臺(tái)，為他們種一棵能乘涼的大樹?！?0年前，國家領(lǐng)導(dǎo)人選擇建立北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)使得中國從零起步到在世界高能物理學(xué)界占有一席之地。在國力快速上升的今天，我們能否為未來規(guī)劃更加宏偉的藍(lán)圖，使得中國在30年后成為世界高能物理學(xué)界的主導(dǎo)者和基礎(chǔ)物理研究的引領(lǐng)者？

在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的這座里程碑后，世界高能物理學(xué)界開始思考今后基礎(chǔ)物理學(xué)的研究方向，而中國科學(xué)家也開始綜合考慮重大科學(xué)前沿目標(biāo)，尖端技術(shù)革新、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和國家大科學(xué)裝置遠(yuǎn)景規(guī)劃等多方面因素，大膽提出了在中國本土建造下一代大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)作為“希格斯工廠”的設(shè)想，之后再改造成世界上能量最高的超級(jí)質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。楊海軍還介紹說，中國高能物理學(xué)界正提出在國內(nèi)建造大型環(huán)形高能對(duì)撞機(jī)的設(shè)想，約50～70公里長，是當(dāng)今世界上最大對(duì)撞機(jī)LHC的2～3倍。如若實(shí)現(xiàn)，將大量制造希格斯粒子來精確研究其性質(zhì)，深入研究基本粒子質(zhì)量的起源，探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，為未來基礎(chǔ)物理學(xué)指引方向。正如2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主David Gross所說，“現(xiàn)在中國有一個(gè)很好的機(jī)會(huì)在自然科學(xué)基礎(chǔ)研究方面起領(lǐng)導(dǎo)作用……我把這個(gè)夢(mèng)想叫做‘中國大加速器（The Great Accelerator）’，這會(huì)和長城一樣引人矚目，但會(huì)比長城作用更大?！?/p>

在追尋粒子物理這條神秘的道路上，楊海軍富有激情并堅(jiān)持篤定。高中時(shí)曾懸掛于教室的屈原詩句“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”至今都讓他深有感觸，領(lǐng)悟其內(nèi)涵。他說：“攀登科學(xué)高峰之路是何等艱難和漫長，但這并不妨礙科學(xué)家追求真理、揭示自然界奧秘的勇氣和決心。”