探尋高能物理的神秘世界——記北京大學理論物理研究所研究員楊李林

本刊記者 姜曉宏

2013年10月8日，憑借50年前對于希格斯粒子的預言，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯兩位理論物理學家獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。這一獎項的依據(jù)，是2012年7月4日歐洲核子研究組織所宣布的，在大型強子對撞機上作出的重大發(fā)現(xiàn)，即希格斯粒子的存在。這一發(fā)現(xiàn)，預示著高能物理又一個黃金時代的到來。

高能物理世界的神秘與美好，令無數(shù)中外科學家為之癡迷。如果從少年時期萌發(fā)的對物理學朦朧的“初戀”算起，“國家青年千人計劃”入選者，北京大學物理學院的楊李林已經(jīng)在這條高深莫測、沒有盡頭的探索之路上，堅定前行了十余年。這位80后的研究員，正逐漸開始在當今理論物理研究領(lǐng)域的前沿嶄露頭角。

開啟高能物理的征程

自1998年走進北京大學物理學院那天起，楊李林的人生與高能物理正式結(jié)緣。

高能物理不但研究構(gòu)成物質(zhì)世界的基本元素、物質(zhì)間的相互作用規(guī)律、宇宙的起源與演化等“終極”科學謎題，它在精密機械、高真空、超導、快電子學、計算機和網(wǎng)絡等先進技術(shù)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，更讓這個學科在近幾十年內(nèi)迅速成為科學家必爭之地，甚至在一定程度上“反映了國家科技的總體實力和地位”。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從1901年諾貝爾獎誕生之日起，100多位諾貝爾物理學獎得主中，就有40多人的研究與高能物理有關(guān)。

從事高能粒子物理的科研工作，所必須的前期準備相當漫長，需要學習的基礎課程非常之多。借助于北京大學開放的課程設置，楊李林在本科階段就能夠選修各種高階的研究生課程。在這個過程中，楊李林欣喜地體驗到，之前在科普讀物中接觸到的各種神奇的現(xiàn)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€個深刻的原理和精妙的公式。特別令楊李林感興趣的是量子規(guī)范場論這門課程。量子規(guī)范場論是當今粒子物理標準模型的基石，它有著優(yōu)美的對稱性和簡潔的定義，同時又有著豐富的數(shù)學和物理內(nèi)涵，讓楊李林沉醉不已。

這些課程的學習，使得楊李林對于物理世界朦朧的好奇心更加具體化。好奇心是開啟科學研究旅程的一把鑰匙，楊李林手持這把鑰匙，開啟了高能物理世界的一扇扇奧秘之門。

量子色動力學（QCD）是粒子物理標準模型中用來描述強相互作用的一種量子規(guī)范場論。它對于高能強子對撞機物理的研究至關(guān)重要。楊李林在北京大學攻讀博士學位期間，就在QCD方面接受了系統(tǒng)的訓練，并將其作為他研究工作的一個重要內(nèi)容。2007年博士畢業(yè)后，楊李林來到德國的美因茨大學擔任博士后研究員。在這里，他開始與合作者一起，對QCD中的很多重要問題展開深入的研究。

2008年是大型強子對撞機（LHC）開始運行前的最后一年，人們對于這一具備前所未有的超高能量的對撞機充滿期待，設想著在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子和各種新奇的物理現(xiàn)象。LHC是一個讓高能質(zhì)子之間相互碰撞的實驗儀器。在LHC上，希格斯粒子的主要來源是由質(zhì)子中的膠子組分通過量子效應而產(chǎn)生的，即所謂的膠子融合過程。而膠子正是QCD理論中強相互作用力的攜帶者，它們之間具有非常復雜的非線性自相互作用。正因為如此，這一碰撞過程受到很強的QCD量子效應的影響，很難做出非常精確的理論預言。楊李林和他的合作者當時正在考察改進對這一過程計算精度的可能性。他們在一次討論中突然想到，有一類非常重要的量子效應實際上具有一個非常簡單的來源。他們進而提出了一種新的方法，可以非常精確地計算這一類量子效應。以此為基礎，他們得到了當時世界上對于這一過程最為精確的理論預言。

完成對希格斯粒子產(chǎn)生過程的研究之后，楊李林的目光立即被另一個非常有趣的問題所吸引。這就是QCD以及更為一般的量子規(guī)范場論中的紅外發(fā)散問題。QCD或者說強相互作用的一個重要特性是所謂的漸進自由，即表征相互作用強度的耦合常數(shù)在能量很高的時候比較小，而在能量很低的時候則會變得非常大。發(fā)現(xiàn)這一特性的三位物理學家于2004年獲得了諾貝爾物理學獎。紅外發(fā)散就是由能量非常低的膠子所產(chǎn)生的。當計算中出現(xiàn)紅外發(fā)散時，往往意味著所采用的微擾計算方法并不完全適用。此時就需要重新審視是否有其它的因素來消除這種紅外發(fā)散，或者把不能計算的部分剝離開來單獨進行考慮。由此可見，對于紅外發(fā)散的理解，具有很重要的理論和實際意義。

當時正是2009年，LHC即將開始運行，實驗物理學家對于高精度的QCD計算的需求空前旺盛。在這樣的大背景下，國際理論物理學界對于QCD中的散射振幅及其紅外發(fā)散的研究也進展神速。特別是對于零質(zhì)量的粒子參與的散射過程，其紅外發(fā)散的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一個比較清楚的圖像。然而，一旦引入粒子的質(zhì)量，事情就變得復雜起來，長期以來人們只有一些相對粗糙的了解。2009年初，QCD理論的權(quán)威George Sterman教授所領(lǐng)導的團隊對這個問題進行了探索，試圖得到更為準確的圖像。然而，他們遇到了一個非常復雜的積分，沒有辦法計算出來，最終只能以部分進展的形式發(fā)表了他們的結(jié)果。

得知這個情況后，楊李林很感興趣，他與合作者很快一起投入力量，決心攻克這個難題。事情并不那么順利，兩個月的時間過去得很快，他們雖然了解了這個積分的很多性質(zhì)，但還是沒有找到計算的方法。這段時間，楊李林的腦海幾乎都被這個問題給占據(jù)了。無論是吃飯時還是睡覺前，楊李林都要思考無數(shù)遍他們已經(jīng)獲得的信息和可能的突破口。這樣的努力終于有了回報，一天早上起床后，楊李林腦子里突然靈光一現(xiàn)，他把已有的信息“拼裝”起來，居然“猜”出了一個可能的答案。他非常興奮，立刻趕到辦公室將這個猜測告知了另外兩位合作者。他們一起對這個答案進行了各種檢驗，幾乎肯定它就是正確的結(jié)果。

雖然“猜”出了答案，楊李林并不滿足。對他來說，還欠缺一個嚴格的證明，這讓他寢食難安。整整兩天時間，他的心思都花在尋找這個證明上面。第二天傍晚，他像往常一樣坐上回家的公交車。在車上，他突然產(chǎn)生了一個新的想法，馬上拿出筆記本電腦開始在上面計算起來?；氐郊視r，他已經(jīng)編寫完成了用于計算的程序。他插上電源，一邊讓電腦開始進行計算，一邊照常去準備晚餐。經(jīng)歷了這么長時間多次的失敗，此刻他的心情是忐忑不安的。因此，當他準備完晚餐回到電腦旁邊，發(fā)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)了他想要的結(jié)果時，他幾乎不敢相信自己的眼睛。他做了好幾次檢查確認沒有錯誤之后，把這個好消息通知了他的合作者。他們立刻著手把結(jié)果寫成論文，并最終發(fā)表在理論物理學的頂級期刊《物理評論快報》（Phy sical Review Letters）上。

有了關(guān)于紅外發(fā)散的理解，楊李林敏銳地覺察到，這些結(jié)果可以很好地改進關(guān)于對撞機上頂夸克產(chǎn)生過程的研究。他立即向合作者建議進入這一領(lǐng)域。他的判斷沒有錯。他們在頂夸克領(lǐng)域的一系列工作成為Tevatron和LHC對撞機上各大實驗組在測量頂夸克對產(chǎn)生時采用的標準理論參考文獻?；谒麄兊难芯?，Tevatron上的D0實驗組在歷史上首次直接測量到頂夸克在改進的最小減除方案下的質(zhì)量。他們的工作還被粒子數(shù)據(jù)工作組（PDG）于2012年發(fā)布的新版《粒子物理評論》（Review of Particle Physics）收錄?！读Ｗ游锢碓u論》是粒子物理學的權(quán)威指南，包括了粒子物理各個領(lǐng)域最重要的進展。

這些研究成果奠定了楊李林科研之路堅實的基礎，此后，他來到瑞士的蘇黎世大學，繼續(xù)深化和拓展他的研究領(lǐng)域。這位年輕的研究員，逐漸開始在國際理論物理學界嶄露頭角。

興趣是科研的原動力

諾貝爾化學獎得主、著名結(jié)構(gòu)生物學家布萊恩·科比爾卡曾說過，真正的科研離不開堅持和興趣。因為成功從來不是一件容易的事，只有經(jīng)歷無數(shù)失敗后，才能最終迎來成功。在不斷嘗試的過程中，如果沒有興趣的驅(qū)動，很難堅持到最后。

出生于湖北的楊李林自幼就表現(xiàn)出對于自然科學的喜愛。楊李林回憶道，他從小就熱衷于思考各種自然現(xiàn)象背后的規(guī)律，也喜愛閱讀各類科普書籍。初中畢業(yè)時，理科成績一向優(yōu)異的他被全國理科實驗班錄取。當時那個實驗班每年會在全國擇優(yōu)招收一百名學生，分成四個班，其中三個在北京，一個在上海。15歲的楊李林面臨著一個艱難的抉擇。選擇進入理科實驗班，意味著要遠離家人和故鄉(xiāng)，這對于小小的他來說是一個巨大的壓力。

在父母的支持下，楊李林決定還是跟隨自己的興趣，來到了上海華東師范大學二附中，進入全國理科實驗班，并在這里度過了快樂的三年。由于沒有高考的壓力，楊李林可以完全憑興趣自由地選擇修習的課程。他只花了一年時間便把高中的大部分課程自學完了。此后，借助華東師范大學的圖書館資源，他自學了許多大學的基礎課程，閱讀了包括數(shù)學、物理、化學、生物、計算機等專業(yè)的大量書籍。出于對物理學的興趣，他還經(jīng)常去上海復旦大學物理系旁聽。這種開放式的學習模式讓楊李林有了自由學習和接觸各類專業(yè)課程的機會，大大開闊了他的視野，也無形中讓他習得了科研的執(zhí)著和堅毅。他后來對高能物理的熱情即從此時開始逐漸萌芽。

1998年，楊李林進入北京大學物理系。在這里，未名湖的如畫風光與物理世界的奇妙深奧都深深吸引著他。對物理研究的興趣與熱情讓楊李林的天賦發(fā)揮到極致，專業(yè)課成績始終名列前茅。通過這些課程，他得以全面地了解物理科學各個領(lǐng)域的基礎知識和研究現(xiàn)狀，并最終確定高能物理作為他探索的目標。2002年，楊李林選擇留在本校理論物理研究所攻讀博士。2007年博士畢業(yè)時，他再次面臨人生的多重選擇，經(jīng)過艱難的思想斗爭與全面考慮，楊李林決定出國繼續(xù)從事科研工作。

不登高山，不知天之高也；不臨深谷，不知地之厚也。楊李林深知，只有站在世界范圍的坐標體系中，才能看清自己的位置；只有立足于國際學術(shù)前沿，才能真正提高自己的學術(shù)水平。2007年到2012年的五年間，楊李林先后在德國美因茨大學和瑞士蘇黎世大學做博士后研究。這五年讓他收獲頗豐。此時的他已羽翼豐滿，只待飛翔，在歐洲打下的學術(shù)基礎，為他積蓄了足夠的科研實力回國發(fā)展。

探索無盡的未知

2012年10月，楊李林接受北京大學物理學院的聘請，成為該校理論物理研究所的百人計劃研究員。次年，他申請了中組部的青年千人計劃項目，并于2014年獲得通過。

也正是在2012年到2013年期間，LHC上的ATLAS和CMS實驗組宣布了希格斯粒子這個振奮人心的發(fā)現(xiàn)。此時國內(nèi)外的物理學家紛紛把工作的重心轉(zhuǎn)向?qū)τ谙８袼沽Ｗ有再|(zhì)的研究。特別是為了確定這個新粒子的性質(zhì)是否與標準模型中的希格斯粒子完全吻合，還需要理論上和實驗上的更多進展。

在北京大學這個對于楊李林來說既熟悉又陌生的地方，他很快適應了新環(huán)境，全身心地投入到研究工作中。與國內(nèi)外的合作者一道，他繼續(xù)在QCD、希格斯物理、頂夸克物理等方面發(fā)揮著自己的能量，做出了許多有國際影響力的工作。

對于未來，楊李林表示，雖然我們發(fā)現(xiàn)了期待已久的“上帝粒子”，但對于其性質(zhì)還并不完全清楚，需要進一步去探索。此外，天文上對于暗物質(zhì)的觀測、中微子振蕩等實驗現(xiàn)象都對粒子物理的標準模型提出了挑戰(zhàn)，而標準模型的理論本身也給出一些跡象表明它在更高的能量上可能并不完備。這些疑問，有可能可以在LHC上找到答案。2015年，LHC將在更高的能量上重新開始運行，與LHC物理相關(guān)的研究，特別是結(jié)合QCD理論和唯象學的研究，必然會越來越受到國際上的重視。在中國，LHC物理的研究正在逐漸形成一個由全國范圍內(nèi)很多學術(shù)單位所構(gòu)成的一個研究群體。楊李林希望能以北京大學為依托，投入到這個群體中去，盡可能地貢獻自己的力量。

不過，楊李林同時表示，對于理論物理尤其是高能物理來說，研究的道路可能會比較漫長。雖然在LHC上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但對于下一個新發(fā)現(xiàn)在什么時候產(chǎn)生，誰也無法預測，因此科研人員要特別耐得住寂寞。LHC還要再繼續(xù)運行十多年，而人們已經(jīng)在考慮未來建造更大規(guī)模的對撞機的可能性，這對于探索物理世界更為基本的規(guī)律是必須的。如果這樣的對撞機能夠建造在中國，勢必將極大地帶動中國的高能物理研究，使中國真正成為高能物理的世界中心。

探索的道路沒有盡頭，楊李林用自己的每一分每一秒，正一步步走在高能物理世界的探秘之路上。