粒子尺度的科研世界

馬夢珂

尋找和研究宇宙基本粒子，高能對撞機是一個重要手段。20世紀60年代起，在高能對撞機的幫助下，大量理論上被預測的夸克、輕子、玻色子等基本粒子相繼被發(fā)現，粒子物理學研究進展如火如荼。針對對撞機上的物理現象進行分析研究，對復雜的粒子物理理論進行數值計算與模擬，并將計算結果與高能物理實驗的結果相比較變得愈加重要，這些需求促進了粒子物理唯象學的發(fā)展。

作為一門理論聯(lián)系實驗的學科，粒子物理唯象學的研究既要求研究者對粒子物理理論有整體的把握，還要清楚高能對撞實驗，對研究者而言是一個不小的挑戰(zhàn)。重慶大學物理學院“百人計劃”研究員、博士生導師郭磊作為一名青年科研工作者投入粒子物理唯象學研究領域已經17年了。盡管前路艱難，阻礙重重，郭磊卻義無反顧，十余年來潛心粒子物理唯象學研究，對最前沿的LHC以及將來的ILC、CEPC等對撞機物理做了相關研究，對Higgs物理、top物理、規(guī)范相互作用以及超出標準模型的新物理等展開了系列研究，取得了一系列重量級的學術成果。

新發(fā)現or新物理？

20世紀70年代，科學家們在楊振寧的非阿貝爾場論的啟發(fā)下，創(chuàng)立了一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論，清楚地給出了組成世界的基本單元（粒子）的信息，包括它們的種類、質量、電荷、自旋以及它們之間的相互作用。這一理論被稱為標準模型（Standard Model，SM）。有研究者認為，標準模型的詳細程度好比一個賓館套間的“手冊”，上面清楚說明了每一件物品的名稱、種類、數量、位置等，從而使客人非常舒服地住在里面。

在過去的近半個世紀中，科學家們在實驗中發(fā)現的所有粒子，都能在標準模型中找到對應的身份，并且其性質也與“手冊”中的預測基本吻合。因此，標準模型被視為迄今為止在粒子層面理解自然的最佳理論，入選20世紀物理學的重大成就。

就在科學家們興奮之余，也有絲絲隱憂。Higgs玻色子是物理學基本粒子標準模型理論中最后一種未被發(fā)現的基本粒子，其自旋為零，其他粒子在Higgs玻色子作用下產生質量，為宇宙形成奠定基礎。迄今為止，標準模型預言的其他粒子都已發(fā)現，但Higgs玻色子的存在尚未在實驗中證實。一旦研究證實Higgs玻色子不存在，“標準模型”理論將被推翻。數十年來，科學家們一直在苦苦尋找它的蹤影，甚至稱它為“被詛咒的粒子”（The Goddam Partical），只是陰差陽錯間，被編輯改為“上帝粒子”（T h e G o d Partical），卻意外地讓它聲名大噪。

2008年9月10日，歐洲大型強子對撞機初次啟動進行測試。人們建造這座目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，其目的之一便是希望能夠直接觀測到Higgs粒子。念念不忘，必有回響。不到兩年，2012年7月4日，參與歐洲核子研究中心（CERN）LHC實驗的Atlas和CMS實驗組，同時宣布在質量為125GeV附近發(fā)現了類標準模型Higgs粒子存在的證據。一時間，整個科學界為之轟動。

“這個125GeV粒子是否就是標準模型所預言的Higgs粒子，如果它不是標準模型Higgs，那確定它可能是什么新物理粒子，這也是非常重要的。”郭磊回憶，如果同時存在新的電弱對稱性破缺，就會引入新的規(guī)范粒子，這些現象都需要在理論上給予精確研究。

是Higgs粒子，還是其他新物理粒子？這一切都有待進一步驗證。

精確研究 理論支撐

Higgs粒子出現后，關于Higgs物理的相關研究，一直是粒子物理研究的最熱門的課題。而除了Higgs物理以外，超出標準模型的新物理也一直是高能粒子物理研究的重要方向。這也是郭磊選定的研究方向。

在青年基金項目的支持下，郭磊所在團隊對LHC實驗上的Higgs尋找和性質研究做了大量細致工作。相關研究成果發(fā)表在Phys.Rev.D、JHEP等業(yè)內頂級期刊上，受到同行的關注。尤其是對LHC上T宇稱守恒的小Higgs模型（LHT）中雙重規(guī)范玻色子產生過程的研究，郭磊和團隊首次給出了其精確到QCD次領頭階的結果，并研究了其末態(tài)粒子分布。文章發(fā)表后引起了Atlas實驗組的重視，他們主動與郭磊團隊聯(lián)系，共同探討在Atlas實驗上探測LHT信號的具體細節(jié)。短短的兩三年時間，郭磊對LHC實驗上的Higgs及其性質等有了更加深入的理解，研究成果得到國內外同行的認可。

隨著L H C上實驗的不斷進行，從Atlas和CMS實驗組發(fā)表的結果來看，在 125-126GeV存在的新粒子跟標準模型Higgs粒子很相近，但是性質上也有一些偏離。特別是從主要的探測道雙光子衰變道和四輕子衰變道的分支比偏離了標準模型預言。實驗結果表明這個新粒子擬合結果，標準模型Higgs位于實驗中心值的1σ以外、2σ以內。

因此，精確研究125GeV附近類標準模型Higgs粒子的具體性質，研究不同模型下Higgs粒子與其他粒子（top夸克和規(guī)范玻色子）的耦合，為實驗探測和數據分析提供支持，是接下來的研究重點。此外，研究電弱破缺機制相關的規(guī)范粒子相互作用以及超出標準模型的新物理在LHC和其他加速器上探測到的可能，也是團隊的重要任務。

在Higgs物理研究方面，郭磊團隊有針對性地展開了系列研究，提出了針對性的解決建議，有力地促進了Higgs研究的逐步深入。針對實驗對理論研究提出更高精度的要求，開發(fā)了能夠計算矢量玻色子聚合（VBF）精確到次次領頭階過程的程序，并對程序進行模擬，發(fā)現了Higgs對產生過程和雙Higgs二重態(tài)（2HDM）下輕中性Higgs對產生過程主要理論不確定性來源是PDF的不確定性。針對實驗中急需的Higgs伴隨頂夸克對產生的電弱輻射修正，得出了該修正精確測量需要予以考慮結論。針對Higgs與規(guī)范粒子的相互作用，得出了在未來實驗探測上必須考慮次領頭階QCD修正及其對末態(tài)粒子分布的影響。雖然雙Higgs產生過程仍沒有可靠的實驗分析數據，依然研究了在有效理論下其產生過程，并且給出了如何通過該過程來限制有效相互作用系數。

“作為與電弱破缺機制密切相關的規(guī)范玻色子，研究其相互作用是尋找超出標準模型新物理的最主要的間接途徑之一。而為了能夠在實驗上探測到新物理，就必須對標準模型中的規(guī)范相互作用有足夠精確的理解?！惫谡f道。為此，他所在的團隊對LHC上多個規(guī)范相互作用過程進行了精確研究。在實驗平臺方面，通過對未來的ILC上WWr產生過程的研究，團隊發(fā)現在閾值附近ISR的效應很大，不可忽略，而當對撞能量增大以后，ISR的影響迅速減小，甚至可以忽略。在精確研究規(guī)范粒子相互作用方面，發(fā)現相比已有的次領頭階QCD修正來說，次領頭階電弱修正對于總截面的影響并不大，只有3%？5%的水平，但是在微分截面上其明顯改變了末態(tài)粒子的分布情況，所以如果按照實驗要求對末態(tài)粒子進行事例篩選的話，電弱修正甚至可以達到與QCD修正相比擬的水平。此外，團隊在Z物理相關過程的精確研究、四Z玻色子相互作用相關過程稿的標準模型本底、傳遞弱相互作用的W粒子研究等方面開展了系列研究，取得了一系列重要的研究成果。

標準模型是當前最成功的粒子物理模型，但自問世之初，科學家們就在想方設法地“推翻”它。終于，科學家們發(fā)現標準模型存在很多不足，存在不能提供暗物質粒子，也面臨嚴重的精細調節(jié)等問題。

“現在，學界基本認為標準模型是一個在100GeV能標附近的一個低能近似，在更高能標上必然存在超出標準模型的新物理。”郭磊告訴記者。為此，他所在的團隊對一些具體的新物理模型和某些有效理論進行了細致的研究。比如T宇稱守恒的小Higgs模型（LHT）是其中一個非常有吸引力的模型。為了研究在LHC上直接探測到LHT模型的可能性，他們研究了LHT模型下LHC上重光子伴隨一個重夸克，重夸克對產生，以及通過重Z玻色子對產生Higgs對的過程。這些過程都是LHC上尋找LHT信號的非常重要的探測道。特別是通過重Z玻色子對產生Higgs對過程提供了一個標準模型沒有的Higgs對產生道，在一定參數下可以大大提高Higgs對產生的截面。團隊還研究了大額外維模型（LED）下LHC上WWZ產生過程，在光子對撞機上探測新物理，超出標準模型的輕子味道改變過程等，對新物理做了積極有益的探索。

在過去幾年里，郭磊所在的這支平均年齡30歲左右的研究團隊攻堅克難，捷報頻傳。他們對高能對撞機上的Higgs物理及電弱破缺機制相關的物理現象進行了諸多研究。同時，完成了部分量子場微擾理論的計算方法改進和程序實現。在技術上，也對唯象計算方法和程序做了發(fā)展，從而獲得了更加精確的物理結果。這些研究都取得了階段性成果，在包括JHEP、Phys. ReV. D、Euro. Phys. Jour. C、J. Phys. G、Phys. Lett. B等國內外有影響力的期刊上，發(fā)表學術論文20余篇，受到國內外同行的認可。團隊對LHC實驗上多個Higgs過程進行的相關研究，再次引起了LHC實驗ATLAS組的興趣，共同探討了在實驗上進一步分析的可能，研究結果被運用到其實驗分析中，為實驗提供了理論上的支持。

從“零零班”到“百人計劃”

1999年，18歲的郭磊以高分考入“零零班”?！傲懔惆唷庇址Q“教學改革試點班”，始創(chuàng)于1985年，是中國科學技術大學在總結和吸收少年班辦學成功經驗的基礎上創(chuàng)辦的不分系科的理科實驗班，注重學生早期科研能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

經過廣泛的學習和自由的探索，郭磊發(fā)現自己對物理學，尤其是近代物理研究更感興趣。中國科技大學向來是以高新技術和學術前沿為主，近代物理系更是拳頭專業(yè)，趙忠堯、楊振寧等人們耳熟能詳的大咖牛人曾執(zhí)教于此，這里是學習物理學的理想院校。2003年，郭磊進入中國科學技術大學近代物理系，開啟了粒子物理唯象學的研究之路。

粒子物理唯象學是高能粒子物理研究中必不可少的一部分，也是粒子物理研究較為復雜的一環(huán)。不僅需要對復雜的粒子物理理論進行數值計算與模擬，還要將計算結果與高能物理實驗的結果相比較。通過比較各種細節(jié)，才能知道建立和完善模型需要滿足哪些要求，或者某些特定模型取什么樣的參數，參數設定在什么范圍。大量的計算、各式各樣的模型、超量的數據構成了學術研究的要素，讀文獻、算數據、反復驗證是研究的日常。在科研工作中，為了研究四體末態(tài)過程的次領頭階修正，郭磊在國內首次開發(fā)了六點圈積分函數，這在當時國際上也屬于前沿的計算方法。同時他完善了復制量圈積分公式，使不穩(wěn)定粒子次領頭階修正的計算成為可能，并完成了與之相關的top物理研究工作。2008年，郭磊以“直線對撞機上四體末態(tài)過程的QCD修正研究”博士論文順利獲得博士學位。

2015年，在學術領域已經取得相當成就的郭磊入選重慶大學“百人計劃”，開啟了一段新的征程。幾年時間里，他的研究團隊已經初具規(guī)模，隨著目前重味強子物理實驗取得了重大突破，團隊的研究方向也在重味強子方向進行了一系列的研究，也取得了階段性的成果，為實驗上探測和驗證強子結構提供了理論基礎。

物質由什么構成？內部是怎樣運行的？為什么質量大不相同？這是自然科學中最基本的問題，也是科學家們求解了成百上千年的難題。也是吸引郭磊在粒子尺度的科研世界里不斷探索、不斷前進的魅力所在。這些問題的答案也許就會出現在不遠的將來。