在“反物質”世界探秘的逐夢者
——記中國科學院上海應用物理所副所長馬余剛

本刊記者 吳 彪

在“反物質”世界探秘的逐夢者
——記中國科學院上海應用物理所副所長馬余剛

本刊記者 吳 彪

上世紀80年代，看似平靜的氣氛中，暗暗蘊藏著變革的因子。一些不安于現狀的人，敏銳地捕捉到時代孕育的變革氣息。他們決定，為了理想遠離家鄉(xiāng)，到外面的世界闖蕩一回。1989年，21歲的馬余剛，剛從杭州大學畢業(yè)（現為浙江大學），為了自己鐘愛的核物理，他毅然搭上開往甘肅蘭州的綠皮火車，一路向西去到千里之外的中國科學院近代物理研究所，繼續(xù)他的學業(yè)。帶著親人的牽掛，離開山清水秀的南方，到達擁有漫長戈壁灘的西部，他未曾想過未來會是什么樣子。

27年后，當年那個激情滿懷的年輕小伙子，已經成長為中科院上海應用物理研究所的副所長，在核物理領域已是領軍式的人物。從過去到現在，當馬余剛與人聊起自己的職業(yè)時，別人總會誤認為他是制造核武器的，遇到這種情況，他總是不厭其煩地解釋：“除了核武器，核物理還有最重要的部分，就是我們所從事的基礎研究部分。如果早年沒有核物理學家們對基礎理論的研究，當年核武器是造不出來的?！?/p>

勤奮好學 年少獲殊榮

馬余剛的“出類拔萃”在年輕時就有跡可循。1985年高考，分數超出重點線很多的他，輕松進入杭州大學物理系。4年本科學習，每次考試都名列前茅，畢業(yè)時他被免試推薦進入中科院近代物理研究所繼續(xù)攻讀碩士學位，師從我國著名物理學家、中科院院士沈文慶老師。1991年，跟隨沈文慶老師從蘭州回到中科院上海應用物理研究所的馬余剛沒有想到，3年后剛博士畢業(yè)的自己會被破格晉升為研究員，成為當時全國最年輕的教授級專家。29歲那年，馬余剛獲得了國家杰出青年基金，在這個年紀獲得如此殊榮的人更是屈指可數。馬余剛感慨：“當年，我是第三屆杰出青年，現在也算是老杰青了！”

談起26歲破格晉升為研究員的那份殊榮，他謙虛地說：“當時正值我們國家核物理人才青黃不接的時候，年齡斷層非常厲害。大家發(fā)表的文章還不是很多，恰恰我在博士期間，以第一作者的身份在國際一流雜志上發(fā)表了一系列關于核反應動力學和核液氣相變的文章。因此得到了沈文慶老師以及楊福家所長等的認可，沒有前輩對我的信任，那份殊榮就不會屬于我?！?/p>

其實，在信息獲取相當不便捷的年代，能有大量文章發(fā)表并非易事，這完全得益于馬余剛的勤奮。盡管當時圖書館可供選擇的書不多，且大多不是原版，但馬余剛還是抓緊時間往圖書館跑。為了節(jié)省復印資料的錢，每次去他都會帶上筆記本，把有用的知識摘抄在本子上。有關物理的專業(yè)性雜志、書籍，他都會拿來仔細看、認真想。盡管在《物理評論快報》上有關核物理的文章不一定每期都有，但他覺得，了解物理學其他分支學科的發(fā)展狀態(tài)也非常重要。核物理的《物理評論C》，粒子物理的《物理評論D》他都會一篇篇看，甚至文章末尾出現的參考文獻，他都會找來仔細研讀，通常閱讀到很晚才睡覺。沈文慶老師曾說過：“馬余剛最大的特點就是刻苦，無論在蘭州，還是上海。許多人反映，小馬所在實驗室的燈總是全所最晚關的?！?/p>

通過翻閱大量雜志，知識積累起來了，國際同行的最新動態(tài)他也了如指掌，思路更加開闊了。“雖然那時信息技術不發(fā)達，但知識學得卻很扎實，后來很多研究都得益于那時學到的知識?！?999年,馬余剛發(fā)表在物理學頂級刊物《物理評論快報》上一篇名為“信息論在核液氣相變中的應用”的文章，就是翻閱《物理評論D》中有關粒子物理的資料和信息論的資料受到啟發(fā)，著手開始研究的。他認為知識是相通的，粒子物理的知識同樣可以拓展到核物理的研究上。做有關核反應反應截面的研究時，沈文慶老師當時提出一個參數化的公式，馬余剛受到了啟發(fā)，開始考慮從微觀的角度去研究反應截面。這涉及到在數據模型里怎么算穿透系數的問題，之前從來沒有人算過。關鍵時刻，儲備的知識派上了用場，最終馬余剛利用核子與核子的碰撞數解決了穿透系數的計算問題。不同方向間的相互借鑒，使原本深奧的問題展現出未被人發(fā)現的簡單一面，馬余剛覺得這正是科研的樂趣所在。

全力投身科研 榮譽接踵而至

自1991年隨沈文慶老師回到上海應用物理研究所后，除卻中間到法國崗城核與粒子物理實驗室和美國德克薩斯農工大學訪問的那段時間，馬余剛一直扎根在所里。工作單位沒變，但馬余剛的研究角度卻一直在變，一直在向縱深發(fā)展。隨之而來的，是一項項榮譽。

1995年，他被評為上海市十大“杰出青年”；1997年，被評為上海市“科技精英”；兩年后，獲中國科學院青年科學家獎；2000年，馬余剛成為1999年度“百千萬人才工程”第一、二層次人選，并在這一年開始享受國務院特殊津貼；2004年，獲得“上海市優(yōu)秀專業(yè)技術人才”稱號，同年獲得第五屆上海市自然科學牡丹獎；2005年，他被評為上海市優(yōu)秀學科帶頭人；時隔一年，又獲中國青年科技獎；2007年至2010年度，被評為上海市先進工作者。

除了幾乎每年的榮譽加身，他參與的科研項目也紛紛獲獎。2001年，馬余剛作為第二完成人的“重離子核反應的集體效應和奇異核產生及其性質研究”，獲國家自然科學獎二等獎；2008年，馬余剛作為第一完成人的“中能重離子碰撞中的核液氣相變和同位旋相關的物理研究”，獲上海市自然科學獎二等獎；2010年，“相對論重離子對撞機上發(fā)現首個反超核粒子-反超氚核”，入選“中國科學十大進展”；2014年，馬余剛作為第一完成人的“相對論重離子碰撞中的反物質探測和夸克物質的強子譜學與集體性質研究”，獲上海市自然科學獎一等獎；2015年，由于成功領導了STAR-TOF的研制以及在反物質探測的先驅性工作，他當選為“美國物理學會會士”，并獲得“國際華人物理與天文學會—亞洲成就獎”，同年“實現對反物質間相互作用力的測量”入選“中國科學十大進展”獎。

在科海逐夢的馬余剛

作報告

在野外

2015年領取“中國科學十大進展”獎時的情景，馬余剛記憶猶新。他說：“去科技部領獲獎證書，當天坐早班機飛到北京，晚上又匆匆飛回上海，相當于打了個‘飛的’?！贝颉帮w的”只為去領獎的事情，放在忙得團團轉的馬余剛身上，足以證明他對獎項的重視程度。在他看來，每個獎項的背后都是自己辛勤付出的結果，每一個都應當被珍惜。

RHIC-STAR助力獲國家自然科學獎

2016年，分量最重的獎項如期而至。在題為“重離子碰撞中的反物質探測與夸克物質的強子譜學與集體性質研究”的項目中，馬余剛帶領團隊，用多年的努力與堅持，換來了久違的國家自然科學獎?！斑@是新世紀來高能核物理領域獲得的第一個國家獎。”馬余剛難掩興奮地告訴記者：“自2007年中科院近代物理研究所在低能核物理領域獲國家自然科學獎以后，將近十年的時間，整個核物理領域在國家獎上的獲獎狀態(tài)一直是空白?！笔昴ヒ粍Γ@個獎項實至名歸！

“大爆炸宇宙論”認為，宇宙是由一個致密熾熱的奇點于137億年前一次大爆炸后形成，之后逐漸膨脹、演化、發(fā)展到了今天的物質世界。理論上，在大爆炸后的幾個微秒，存在著一種新的物質形態(tài)，即夸克-膠子等離子體（QGP），然而除了普通的物質以外，人們一直未能觀測到QGP，因此尋找和理解QGP，探索正反物質不對稱性的深刻機理成為現代物理學的基本問題。

此次的獲獎項目，正是針對上述目標開展的深入、系統(tǒng)的研究。在研究過程中，作為STAR-中國組召集人，馬余剛領導課題組與RHIC-STAR國際合作組其他中、外方科學家開展了緊密合作，并取得了一系列原創(chuàng)性成果，為揭開宇宙的深刻機理做出了不可磨滅的貢獻。

為提升STAR探測器的粒子分辨能力和開展卓越的物理研究，項目組成功研制出運行在重離子對撞機實驗的基于MRPC技術的大型飛行時間譜儀，極大提高了STAR探測器的粒子鑒別能力和物理能力。美國合作方曾對此表示了高度贊揚：“這是中美科學合作的一個成功典范。”另外項目組在上億次金核對撞的海量數據中，通過重構反氦3和π介子的不變質量譜，探測到首個反物質超核的證據“反超氚核”,相關論文發(fā)表在美國《科學》（Science）雜志上，這是RHIC運行10年以來第一篇發(fā)表在Science上的論文。接著，馬余剛項目組進一步尋找更重的反物質原子核，并成功探測到氦4核的反物質粒子—反氦4核，它是迄今為止所能探測到的最重的反物質原子核，該研究成果發(fā)表在英國《自然》（Nature）雜志上，成為RHIC運行11年以來第一篇發(fā)表在Nature上的論文。除此之外，項目組還發(fā)展了鑒別高橫向動量粒子的新方法，測量了粲夸克產生截面和強子產生的微分截面分布函數，通過對奇異強子核修正因子和集體性質的研究，發(fā)現了RHIC產生的物質已經建立起了奇異夸克自由度的現象，給出了QGP新物質形成的若干信號，為最終尋找到宇宙新物質QGP給出了強烈的佐證。

馬余剛感慨：“能獲得這些新發(fā)現，與加入國際合作組織RHIC-STAR有密不可分的關系。”之前，我國雖然有加速器，但所有的加速器都只適用于中低能重離子核反應實驗，缺乏做高能重離子實驗的大型硬件設備。另外，當時高能核物理的研究工作主要偏向理論研究，亟待建設一支強有力的實驗隊伍。因此與國際組織開展合作，成為我國高能核物理發(fā)展突破重圍的迫切要求。幸運的是，2001年RHIC-STAR被列入中美高能物理合作框架，國內6家科研單位和高校構成了STAR-中國組。此后國際上最重要的核物理研究大科學裝置，美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC），及在RHIC上運行的國際上最先進的螺旋徑跡探測器（STAR），為我國高能核物理研究提供了大型科學裝置的支持。大型科學裝置的助力，加之與國際優(yōu)秀團隊的合作，大大促進了項目的獲獎進程。

進軍核物理新領域 團隊砥礪前行

在馬余剛看來，加入國際組織，帶來的不僅僅是這些，更重要的是為他塑造了一支高水平的實驗團隊。通過參加國際合作項目，學生要做的課題多了，老師也要經常參加相關的研究，通過與國際先進團隊的接觸和對前沿技術的學習，實驗團隊一下子跨越到了國際水平。

馬余剛帶領的團隊人員雖不多，不到20人，但做的事情卻涉及到核物理的諸多重要方向。從早期的低、中能核物理漸漸深入到高能核物理，目前又做著向光核物理以及激光核物理拓展的準備。

研究上的綜合交叉,使整個團隊在看問題的時候，眼界更寬，思路更靈活。2006年，馬余剛指導學生做低能核反應研究時發(fā)現，假如輕核是通過核子與核子合并起來的話，它的每核子橢圓流中存在著標度性行為的規(guī)律。2016年國際高能核物理實驗的菲尼克斯合作組數據驗證了2006年馬余剛等提出來的這個規(guī)律。盡管高能和低能分屬兩個不同的層次，但在馬余剛團隊眼中，很多物理現象都是相通的。在不同方向間相互借鑒，已成為這支團隊解決問題的一個思路。遇到難題時，他們有足夠的信心實現平穩(wěn)跨越。

“2016年獲得國家自然科學獎離不開這支優(yōu)秀的團隊。”馬余剛感慨，“更離不開所有為項目做出貢獻的人，感謝來自中國科學技術大學的陳宏芳老師，清華大學的程建平老師，華東師范大學的劉峰,還有我的學生陳金輝,感謝STAR-中國組的所有成員，感謝海外華人的助力，他們都為項目中的新發(fā)現做出了巨大的貢獻。”

除此之外，家人與師長的支持與付出，他更是銘記在心。當年，家人大多極力反對馬余剛去大西北求學的決定?！澳贻p人，想去就去，鍛煉一下總沒錯?！备赣H的一句話，讓馬余剛去西北的計劃得以成行。到蘭州后，他遇到了恩師沈文慶老師，正是在沈老師的帶領下，一步步成長起來，學會了怎么做科研，怎么做人，到現在沈老師仍默默關注著馬余剛的事業(yè)，總在他最需要的時候，給他支持和鼓勵。

團隊合影

如今馬余剛已培養(yǎng)出了近30位博士。作為老師，不管怎么忙，他都會抽出大量時間帶領學生做科研。他鼓勵學生勇于承擔研究重任，并放手讓他們自己去探索。他要求學生要有自己的想法，要努力實現突破；要有足夠的時間去投入，去關心國內外同行的研究，去主動吸收知識。他提醒學生要時刻保持對科研的興奮，他說即使現在自己已經發(fā)表了很多文章，但是文章投出去之后，他還是會特別關注稿子的編輯進度，很渴望得到審稿人的意見。他認為只有保持這種興奮的狀態(tài)，才能培養(yǎng)對科學的直覺和敏銳性。

他培養(yǎng)的學生中有1人獲得APS G.E.Valley國際獎，2人獲得中科院優(yōu)秀博士論文獎。馬余剛說：“看到學生獲獎，比自己獲獎還高興?！?/p>

未來，馬余剛已瞄準核物理最前沿的方向，從光核物理向激光核物理拓展是他未來的目標。接下來他要做的上海光源上的伽馬光建設項目，這是他向核物理新領域拓展前的熱身，也是一項開國內先河的研究。比起因循守舊，他更愿意嘗試別人沒做過的事情。

在核物理研究中，會涉及到很多鏈條，每個鏈條都很重要。從反超氚的發(fā)現到反阿爾法的發(fā)現，從研究反物質的形成機制到研究反物質跟反物質的相互作用，鏈條之間層層遞進，又相互關聯，任何鏈條的缺失都會影響到宇宙謎題的最終開解。在新方向上的拓展，無疑是對缺失鏈條的深層尋找和修復，他愿承擔起尋找與修復的重任。

征途漫漫，馬余剛和他的團隊必將砥礪前行，再攀高峰。

專家簡介：

馬余剛，浙江余姚人，1994年7月獲中科院上海原子核研究所（現中科院上海應用物理所）理學博士學位，研究員。現任中國科學院上海應用物理研究所副所長、博士生導師，美國物理學會會士（APS fellow），第三屆國家自然科學基金杰出青年基金獲得者。兼任亞洲核物理聯合會理事、亞太物理學會核物理分會執(zhí)行委員、中國核物理學會副理事長、上海市核學會核物理主任委員、美國相對論對撞機STAR國際合作組理事、意大利國際無中微子雙β衰變合作組（CUORE）理事等。長期從事相對論重離子核物理和放射性核束物理的研究，擔任國家“973”計劃和國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體負責人。主持過國家自然科學基金重大國際合作項目、國家自然科學基金重點項目、中國科學院知識創(chuàng)新工程方向性項目、上海市學科帶頭人項目等。在國際重要學術期刊發(fā)表論文500余篇，主編了3本國際會議文集，幾十次在國際學術會議上作邀請報告。2016年主持的“重離子碰撞中的反物質探測與夸克物質的強子譜學與集體性質研究”項目獲國家自然科學獎二等獎。