追本溯源 洞悉世界
——記南京師范大學物理科學與技術(shù)學院教授武雷

□ 劉玉杰

武雷

身處浩瀚無垠的世界，你有想過世界的源頭在哪里嗎？看似樸素的問題，卻極為困難。從宇宙大爆炸到衍變成現(xiàn)在由普通物質(zhì)構(gòu)成的世界，已經(jīng)過去了長達137億年的光陰，千百年來，人類始終沒有停下探尋世界源頭的腳步。

世界是由什么構(gòu)成的？又是如何運作的？這是南京師范大學物理科學與技術(shù)學院研究員武雷每日研究的重點。他所研究的物理學，所關(guān)心的正是有關(guān)世界本源的問題。其中，“質(zhì)量起源”和“暗物質(zhì)本質(zhì)”就是武雷在探索世界本源問題上的“助力器”，多年來，他基于非標準模型唯象學研究，在暗物質(zhì)、Higgs物理和Top夸克等方向上，取得多項具有國際影響力的原創(chuàng)性成果，一步一步探索著世界本源的奧秘。

“好奇心”推動的物理探索路

好奇心是孩子的天性，小時候的武雷心中仿佛藏著無數(shù)個“為什么”，他尤其對世界的構(gòu)成和演化很感興趣。時光變遷，滄海桑田，長大后武雷的心中依舊延續(xù)著追溯世界本源的執(zhí)著。在大學期間，學校經(jīng)常會請理論物理領(lǐng)域的專家前來為學生作報告，傳遞物理前沿新知。一次學術(shù)報告上，中國科學院理論物理研究所研究員李小源提出了一個問題——“質(zhì)量是如何產(chǎn)生的？”當時，武雷百思不得其解，但朦朧中意識到這背后一定有非常誘人、深奧的物理規(guī)律。之后，武雷開始廣泛閱讀相關(guān)書籍文獻，發(fā)現(xiàn)粒子物理理論正是可以找到問題答案的突破口。于是，自那時起，武雷就堅定了自己的科研目標，在粒子物理理論領(lǐng)域里，對質(zhì)量起源、暗物質(zhì)本質(zhì)等展開研究，砥礪前行，并為之不懈努力。

徜徉在物理世界

武雷坦言，自己貌似除了愛讀書，沒有什么其他愛好，而這份“獨一無二”的愛好也給了武雷在科研路上最好的回饋。本科畢業(yè)后他被保送本校理論物理研究生，并在老師的建議下，從大四就開始學習研究生的課程。隨后，武雷在導(dǎo)師魯公儒教授的強烈推薦下，來到中國理論物理研究的圣地之一——中國科學院理論物理研究所進行聯(lián)合培養(yǎng)，跟隨楊金民研究員從事新物理的學習和研究。期間，他圍繞Top夸克物理進行了大量解析和數(shù)值計算，系統(tǒng)研究了與Top夸克相關(guān)的新物理效應(yīng)，特別是對當時困擾學界的反常Top夸克前后不對稱性實驗數(shù)據(jù)原創(chuàng)性地提出了3種可能的新模型解釋，相關(guān)論文被美國費米國家實驗室的兩大實驗組CDF和DO選為代表性理論論文多次引用，同時也被發(fā)表在國際頂級綜述性期刊Review of Modern Physics的Top夸克綜述文章重點引用。

2010年武雷以優(yōu)異的成績考入中國科學院理論物理研究所攻讀博士學位，繼續(xù)在探索標準模型之外的新物理理論中前行。他想將原來的研究更進一步，深入結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，于是經(jīng)過半年多的專研后，武雷終于在組內(nèi)建立了第一套能夠進行LHC蒙特卡洛模擬的程序，并迅速將其應(yīng)用于Top夸克研究中。他敏銳地意識到一類規(guī)范群擴充的Z’模型將會在LHC上誘導(dǎo)出大量的同號Top夸克對事例，當時的LHC應(yīng)該有能力對其檢驗。于是，武雷日以夜繼地完成了理論推導(dǎo)，并用自己剛建立的程序完成了數(shù)值計算。論文完成后順利發(fā)表，在國際上產(chǎn)生了強烈反響，3周后，美國一組專家也提出了類似想法。由于工作的重要性，美國費米實驗的CDF和D0兩大實驗組和LHC的ATLAS實驗組紛紛引用、采納該方案并組織專家進行實驗分析。正如武雷之前的理論預(yù)期，這類模型被實驗組宣告已被排除！

“科學研究就是一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭。丁肇中先生曾說過，科研只有第一，沒有第二?！贝藭r的武雷眼睛望著窗外，神情堅定而又自信地說到。為了能夠掌握當時最先進的對撞機模擬技術(shù)，他在新婚第三天就赴韓國參加國際Madgraph學校培訓，結(jié)束了為期一周的高強度培訓，武雷滿載而歸，并投入到當時超對稱物理研究的熱點問題——Top夸克超伴子。經(jīng)過6個多月的奮戰(zhàn)，他與團隊的第一篇Top夸克超伴子的論文終于完成，并得到了審稿人的好評。由于博士階段的突出成績，武雷榮獲了被譽為“奧斯卡獎”的中國科學院研究生最高榮譽“中國科學院院長特別獎”，其博士論文也入選了“中國科學院優(yōu)秀博士論文”。

挑戰(zhàn)自我，小試牛刀

如果細說2012年物理界發(fā)生的大事，Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)絕對可以算得上是“拔得頭籌”。在粒子物理標準模型中，Higgs粒子雖給予其他粒子質(zhì)量，但它自身質(zhì)量的來源卻不清楚，需要非常精細調(diào)節(jié)模型參數(shù)?！斑@就是通常粒子物理學家所說的自然性問題，超對稱為解決這一問題提供了一種可行的途徑。”于是武雷在博士后工作中開始轉(zhuǎn)向與超對稱、Higgs粒子相關(guān)的新物理研究。

在悉尼大學粒子物理卓越中心工作的第一個半年，武雷接連完成了3篇有國際影響力的超對稱論文。其中最重要的一篇是提出了一種在大型強子對撞機上檢驗自然超對稱的新方法，即monojet信號。該工作得到了國際著名專家和大型實驗組的廣泛引用，文章發(fā)表四年內(nèi)被引用106次，并入選2014年ESI高被引論文，還被選入國際著名超對稱物理專家學英國南開普敦大學Stefano Moretti教授等編纂的著作Supersymmetry Beyond Minimality: From Theory to Experiment。

之后，武雷又創(chuàng)新性地提出了利用單top夸克超伴子產(chǎn)生過程，就可尋找TeV標度top夸克超伴子的全新策略。與傳統(tǒng)的成對產(chǎn)生方法相比，該產(chǎn)生過程具有較大的截面，并會在LHC上同時給出mono-top和mono-bottom兩種獨特信號，能夠被未來LHC實驗所觀測。武雷的創(chuàng)新成果在國際上引起眾多反響，并獲得一位PRL匿名審稿人的高度肯定。隨著Higgs粒子性質(zhì)測量的越來越精確，Higgs-Top耦合性質(zhì)的研究越發(fā)重要。針對這一難點，武雷和合作者從電荷不對稱性出發(fā)提出了一種新的運動學變量可以有效確定Higgs-Top耦合的電荷宇稱性質(zhì)。

此外，武雷又將自己的研究領(lǐng)域擴展到暗物質(zhì)方向，提出了用暗物質(zhì)實驗檢驗解釋muon反常磁矩的超對稱模型的新方法，該成果也入選了2017年ESI高被引用論文?！霸谙つ岽髮W的工作經(jīng)歷，讓我開闊了眼界，使我對新物理研究有了更加深刻的認識和獨立的見解?！?武雷微笑道。在4年多的博后工作時間里，武雷始終像一個戰(zhàn)士一樣，沖鋒在科研第一線，探索著物理的奧秘。目前，他共完成60余篇高質(zhì)量論文，1篇論文入選“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文”，多篇論文入選Web of Science數(shù)據(jù)庫的高被引論文，論文總引用2000余次。

致力科研 報效祖國

之所以能夠堅持奮戰(zhàn)在物理領(lǐng)域，并取得多項原創(chuàng)性成果，除了熱愛，還有武雷要為我國科研發(fā)展出一份力的堅定決心。盡管國外有著優(yōu)厚的科研條件，但武雷始終心系祖國。2017年，他謝絕了國外合作導(dǎo)師的多次挽留，毅然選擇回國發(fā)展，武雷對國內(nèi)的科研形勢極為看好，他認為國家對科研發(fā)展的支持力度在不斷加大，這對年輕科研學者來說，無疑是一個千載難逢的好機會，也會有更大的發(fā)展空間，供研究人員施展拳腳。

“如今，我國科研處在高速發(fā)展時期，需要更多的科研人員來支持，我只求腳踏實地，為我國科研發(fā)展做點實實在在的事?！蔽淅讟銓嵉脑捳Z背后，是一顆對科研熾熱的心，更飽含著他對祖國虔誠的愛。未來，他仍會無所畏懼，一路前行。