在浩瀚的粒子物理學里默默耕耘——記山東大學物理學院教授祝成光

本刊記者　曹曉旭

在浩瀚的粒子物理學里默默耕耘——記山東大學物理學院教授祝成光

本刊記者曹曉旭

專家簡介：

祝成光，理學博士，山東大學物理學院教授，從事高能物理物理分析，探測器設計和高能物理實驗方法和技術研究。1999年～2005年，為ATLAS實驗合作組研制TGC探測器；2005年至今，利用ATLAS實驗數(shù)據(jù)研究top物理和尋找暗物質(zhì)。

人類對于生活于其中的世界充滿好奇，從最小的物質(zhì)組成部分到廣袤的宇宙空間，無數(shù)的未知奧秘等待著人類的發(fā)掘。粒子物理學家嘗試使用粒子的概念去理解物質(zhì)的存在方式和他們之間的聯(lián)系，發(fā)展了完整的粒子物理理論去解釋最小的物質(zhì)結構以及宇宙的演化。

山東大學物理學院教授祝成光認為，嚴謹?shù)目茖W實驗是人類認識世界的唯一方法。隨著粒子探測器的發(fā)展和各種粒子物理實驗的開展，關于粒子世界的層層神秘面紗必將被一一揭開。

推動我國新型探測器的發(fā)展

ATLAS實驗是LHC（大型強子對撞機）上的大型粒子對撞實驗，主要目的是在實驗中尋找粒子物理界已廣泛接受的“上帝粒子”—希格斯粒子，同時在目前能量最高的粒子對撞中探索未知的粒子物理知識。非常幸運的是2012年ATLAS實驗和CMS實驗各自觀測到了希格斯粒子的存在，2013年的諾貝爾物理學獎授予了希格斯機制的提出者彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特。

祝成光從1999年進入粒子物理領域讀研究生開始，即加入了ATLAS合作組，籌備建設ATLAS實驗。LHC將兩束質(zhì)子加速到光速的99.99999％，然后送到ATLAS探測器的中心對頭碰撞，四處飛濺的高速末態(tài)粒子的路徑和能量由含有幾萬個探測器模塊，上億信號道的ATLAS探測器記錄下來。ATLAS組成部分之一是在線觸發(fā)系統(tǒng)，其作用是在粒子對撞后以極快的速度（幾個微秒）判斷該次對撞是否是有價值的對撞，是否采集數(shù)據(jù)。作為山東大學技術負責人，祝成光帶領團隊歷時五年，建立了設備完善、功能齊備的探測器實驗室，首次把TGC技術引進國內(nèi)，革新了30多項傳統(tǒng)工藝技術，大幅度提高了探測器的穩(wěn)定性，研制了400臺TGC探測器，安裝在ATLAS探測器上，完成了觸發(fā)系統(tǒng)的安裝、整合和刻度，為希格斯粒子的研究奠定了基礎。

TGC探測器的成功，推動了山東大學在該學科的快速發(fā)展，獲得了國際認可。在此基礎上，祝成光成功建設了可以精確測量宇宙線中的通用宇宙線探測器測試系統(tǒng)，為探測器在大學的研究和發(fā)展奠定了良好的基礎，并在國內(nèi)開展的大型宇宙線觀測站LHAASO實驗，ASγ實驗以及美國布魯海文國家實驗室STAR實驗中發(fā)揮了重要的作用，為山東大學在國際合作中爭得一席之地。

實驗過程中，祝成光意識到，在近飽和高壓模式下運行的TGC探測器雖然擁有良好的時間性能，但同時也有其局限性。位置分辨和計數(shù)率較低，發(fā)展TGC探測器的全面性能將有利于該探測器在粒子物理領域的廣泛應用。在國家基金委重大國際合作項目的支持下，祝成光針對關鍵參數(shù)進行多次改良，進行了多個版本的探測器樣本的建造和多次束流測試，最終將TGC的位置分辨率提高了兩個數(shù)量級，計數(shù)率提高了一個數(shù)量級。一個適應性更廣、性能更加優(yōu)良的新型TGC探測器就此誕生，它被列為2018年ATLAS實驗觸發(fā)系統(tǒng)升級改造的新型探測器。

擁有十余年探測器方面的研究經(jīng)驗，祝成光在探測器的設計、測試、定型以及觸發(fā)系統(tǒng)的建設方面積累了豐富的經(jīng)驗，推動了我國新型探測器的研究以及國際合作。

和導師何瑁教授在一起

丁肇中教授訪問山東大學時到實驗室參觀

學海無涯，科研無止境

目前粒子物理學家認為物質(zhì)是由基本粒子組成，top夸克則是所有基本粒子中最重的粒子。相比于其它夸克而言，針對top夸克的研究尚未深入.在ATLAS試驗中研究top夸克將是人類了解自然界的一個重要的途徑。由于夸克禁閉效應,夸克無法單個存在于真空中，科學家無法真正的去研究一個“裸夸克”的性質(zhì)。然而由于top夸克壽命極短，在top夸克和其他夸克形成強子之前就會衰變。因而，其“裸夸克”的性質(zhì)將有可能在實驗上被觀測到。祝成光與小組成員使用ATLAS數(shù)據(jù)以5倍sigma的顯著度證實了top夸克自旋關聯(lián)效應的存在，證明了其“裸夸克”短暫存在的特點。這為將來使用top夸克自旋開展物理研究提供了第一次實驗上的證據(jù)。

學海無涯，科研亦無止境。在科學家的眼中，始終存在前瞻意識。宇宙中暗物質(zhì)的存在得到諸多實驗觀測證實，人類卻不能“一睹芳容”。粒子物理學界認為暗物質(zhì)可能是一種全新的未知粒子，如果能在實驗上觀測到該粒子，物理學將向未知領域邁出了一大步。目前國際上直接觀測宇宙中暗物質(zhì)粒子實驗隨著探測器技術的發(fā)展如雨后春筍般出現(xiàn)。然而LHC卻可以自己“產(chǎn)生”暗物質(zhì)粒子，這使ATLAS實驗在暗物質(zhì)粒子尋找中可以獨辟蹊徑。因此祝成光正在全力ATLAS實驗中開展暗物質(zhì)粒子的尋找工作。

隨著中國在國際科學舞臺上的發(fā)揮的作用越來越大，像祝成光一樣的中國的科學工作者們正在不倦追求新方法、新技術，在物理研究的潮流中努力耕耘，不斷進取。