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倾心物理 拥抱粒子

来源:  发布时间:2019-07-26

——记清华大学物理系助理教授胡震
  
□ 武光磊

  
  
  一颗发射到地球的“智子”对粒子加速器进行了干扰,使人类不能再探索物质的深层结构,从而锁死了地球科技发展这是小说《三体》中的情节。彼时,即将攻读研究生的胡震正在为选择研究方向颇感困扰,这段情节让他眼前一亮,好似看到了未来的发展方向。
  “小说中,加速器被干扰后,粒子物理基础理论的研究无法进行,其他各领域的发展也都将止步于这道无形的墙。地球科技无法跨越到下一层次,人类在外星人面前,就好比冷兵器时代的原始人,即便刀剑磨得再锋芒逼人,面对现代化的枪炮也不堪一击。”胡震说道。不想仅将研究之路停于表层,而是向往探寻更深层次的微观世界中物质的结构与性质的胡震,就这样确定了自己的研究方向,开始了粒子物理学的研究之路。
  如今,在这条路上已经孜孜不倦前行10余年的胡震,在该领域的研究渐入佳境。他曾开展寻找夸克胶子等离子体和B介子稀有衰变研究,也曾研发硅径迹触发电子学和芯片。在他看来,粒子物理中一个个悬而未决的谜团,就是他最大的研究动力。
  
“玩转”物理
  世界是由什么构成的?又是什么把物质紧紧地束缚在一起?
  千百年来,人类一直思索着这两个基本问题,而这两个问题之所以被不断地推上“热门搜索榜”,是因为背后的答案不仅与人类息息相关,同时也是理解与塑造有关宇宙背后定律的关键所在。
  粒子物理学正是这样一门学科,它研究的是构成万物的基本粒子以及这些粒子之间是如何相互作用的。粒子物理学在改变人类对宇宙认识的同时,也在其他科学领域以及教育与生活质量的改变上做出了重大贡献。从科学史上看,粒子物理学的研究范围极为广泛,涉及最大、最复杂且最精密的实验。从实际应用的角度来看,粒子物理学又是一门可以被应用在方方面面的学科,从固体物理到医学诊断再到分布式计算,处处都留下了粒子物理学的身影,它的神奇给无数人留下了极为深刻的记忆。胡震就是这许许多多人中的一分子,从高中开始,他就对物理很感兴趣,老师的引导加上高中一次参加物理竞赛取得的优异成绩,为胡震开启物理学习的大门给予了巨大的鼓励。他也因此在考入四川大学后,毫不犹豫地选择了物理作为研究专业。
  都说兴趣是最好的老师,胡震在这位“最好老师”的带领下,顺利完成了大学学业,并于2007年凭借优异成绩被保送到北京大学物理学院继续学习粒子物理。来到北京大学以后,胡震再一次被物理的神奇所震撼,在高能实验组负责人冒亚军教授、导师钱思进教授等老师和同学的指导帮助下,做出了多项突出贡献。由于和美国费米国家加速器实验室的合作,胡震在硕士研究第二年来到费米实验室做访问学者,期间他了解到了更多物理世界的神奇,也决定在完成硕士学业后继续到国外汲取物理“养分”,于是硕士毕业后胡震于2010年来到美国普渡大学跟随Ian Shipsey教授继续探索物理世界。
  在量子色动力学中,由于色禁闭效应的存在,自由夸克无法被直接观测到。然而,有一种理论预言,在极高温且压强极高的环境中,色禁闭效应将会被屏蔽,这样就可以形成夸克和胶子自由存在的新物质形态,称为夸克胶子等离子体(QGP)。对QGP的寻找一直是量子色动力学的一个重要课题,但无奈受实验条件所限,科学家至今都没能证实其是否真实存在,比如,温度需要达到2*1012K这一条件就让无数研究学者犯了难。对该问题的数学推导还被称为世界七大数学难题之一。
  作为CMS实验B物理组的核心成员之一,胡震勇挑重担,探索QGP的奥秘。在积累多年的相关研究经验的基础上,他果断决定在重离子对撞中开展底偶素Y→μ+μ-研究,成功首次在重离子对撞中观测到了Y激发态相对于基态的压低,成果发表在Phys.Rev.Lett.上。次年,胡震基于大统计量的数据,又继而取得新突破,他首次在实验上观测到了Y三个共振态的依次压低(熔化)现象,为QGP的存在提供了有力的证据。
  探索物理学,本质上就是在探索一个全新的、未知的世界。而未知世界是无穷无尽的,从分子到原子,再到原子核、夸克,人类对物质世界的认知一直没有穷尽,胡震对这个未知世界的探索自然也不会停止。据胡震介绍,从20世纪80年代至今,B物理领域最重要的研究目标之一,就是寻找Bs→μ+μ-纯轻子稀有衰变。尽管有关实验做了无数次,但30多年来碍于实验精度不够,科学家一直都没有观测到。此时,已经对底偶素Y→μ+μ-做过多次测量的胡震对低能区的双缪子衰变积累了丰富的研究经验。他接下这份挑战,改进了核心的“提升决策树”方法,纠正了以往事例选择程序中的两个隐蔽错误,用BDT方法以4.3σ的显著度首次观测到Bs→μ+μ-衰变,精确测得其分支比为 (3.0±1.0)×10-9,在1σ偏差以内符合标准模型预期。
  此后,胡震又于2014年3月加入了费米实验室Ted Liu领衔的一级径迹触发研究组。他了解到目前国内在高能实验硬件,尤其是芯片研发方面的专业人才很稀缺,借此机会他开始研发相关硬件。他与研究组共同依托实验室已经掌握的ATCA技术,成功自主研发了通用型ATCA数据传输主板Pulsar2b、径迹模式识别夹板PRM等一系列全新硬件。研究团队还于2016年12月成功搭建了完整的小规模硬件系统,由此证明了CMS上一级径迹触发的可行性,并撰写了技术报告。随后,研究组开发的用FPGA做径迹拟合的算法,也发表在了NIM上。
  
“回国是正确的选择”
  在费米实验室工作的几年间,胡震对物理学有了更加深入与全面的了解,取得的一系列成果也让他在高能物理圈里“声名赫赫”,但初心告诉他,做科研一定要为自己的国家增光添彩。2018年,胡震选择回到清华大学物理系任助理教授。回国后,他总有一种说不出的亲切感,也深切感受到了近年来国家的快速发展以及对科研的大力投入与支持,这一切都令胡震感到回国是一个正确的选择,也令他对接下来的研究更加充满斗志。
  胡震表示,研究粒子物理,高能实验是绕不开的重要方法之一,近百年来,高能实验的快速发展,使得各种基本粒子依次被发现,也成功验证了粒子物理的标准模型。从获得的各种实验数据来看,都表明未来将会有很大机会通过对实验数据的研究,来发现其他重要的物理现象。胡震对此很是期待,回国后也决心开始付诸实践。
  来到清华大学物理系任职后,胡震在系主任王亚愚教授和高能物理研究中心主任王青教授的支持下,仅仅用了不到3个月的时间,便成功推动了清华物理系正式加入了欧洲核子中心的CMS合作组,实现了清华物理系CMS从无到有的突破。与此同时,胡震作为清华CMS组的第一人,在短时间内组建了一支包含博士后、博士生、本科生、工程师在内的完整科研队伍,并与北京大学CMS组合作实现了Gem探测器的联合研发与建造。目前,在校内已成功建立了计算阵列平台,并得到清华大学双E基金资助,用于扩展计算机群。
  成功组建团队,获得各方的大力支持后,胡震对接下来的研究更加斗志满满。他表示,在高能物理实验研究中,“低质量多轻子末态”是一个尚未被深入探索过的领域。此前,针对LHC Run 1数据,欧洲核子中心的CMS实验合作组在低质量多轻子末态Y(1S)μμ中看到了新粒子的迹象,质量在18 @GeV附近。
  胡震作为CMS实验上的Y测量专家,早在2014年年底便加入了低质量多轻子末态Y(1S)μμ的研究,已经见证了18GeV质量峰的出现,并全程参与了Run 1数据的相关研究,积累了丰富的经验。
  有了研究基础,胡震2017年年底在费米实验室与资深科学家Ted Liu合作,组建并领导了新的研究团队,专门针对13TeV的Run 2数据展开研究,并独创性地提出了新的基于“事例混合”的堆积本底消除方法和物理本底模拟方法。这一全新的研究方案,不仅解决了高亮度数据分析中的难点,更可直接推广至更高的能区,开辟了一个全新的研究领域。
  而此次回到清华大学物理系后,胡震延续这一新思路,将低质量多轻子末态的一系列创新研究思路和方法引入了清华高能物理研究中心。据悉,研究中心将充分发挥理论与实验相结合的特色,在低质量能区构造出合理的理论模型,从几个GeV直至100个GeV的区间,在LHC实验上展开全面的搜寻和研究,其中既包括已经在LHC Run 1数据中看到新物理迹象的多轻子末态,也包括对超越标准模型的新物理有更强限制的双缪子末态、双电子末态、双光子态等。
  此外,2019年年初,胡震还与陈新教授合作,合力推动清华大学物理系加入了CERN的FASER实验组,成为目前中国唯一参加FASER实验的单位。
  FASER实验位于LHC上ATLAS对撞点外480米左右处的地下隧道中,主要用于探测质子对撞产生的弱相互作用轻粒子,如暗光子、暗希格斯玻色子、惰性中微子等,也可用于寻找类轴子或其他超越标准模型的新物理。作为前向探测器,FASER可以观测到ATLAS和CMS等探测器无法覆盖的、接近粒子束流方向的产物。同时,由于其距离ATLAS实验对撞点较远,因此更适合探测长寿命的粒子。
  作为FASER国际合作组成立的16个创始单位之一,清华大学物理系将在探测器研发、软件开发和数据分析等多个方面为FASER实验做出重要贡献。目前,物理系承担了探测器控制系统前端电子学的设计和制作、径迹探测器准直与刻度软件的开发等工作。胡震认为:“我们预计将在未来两年左右开始运行取数,并有希望在该领域取得有影响力的科研成果。”这项研究工作已经得到了国家自然科学基金、清华大学理科发展双E计划科研基金、清华大学自主科研经费的支持。
  “回国是正确的选择,但也是对自己新的挑战。”胡震说道。作为CMS实验物理数据组的召集人,为了实验的正常运行,胡震几乎天天都与欧洲核子中心连线进行视频会议。由于北京与瑞士有六七个小时的时差,每到傍晚下班的时候,胡震忙碌的一天才真正开始。有时候,几个会开完之后,就已经到了第二天清晨,这时候,胡震才结束一天的工作,迎着朝阳赶回家休息。
  
畅想未来
  来到清华大学后,胡震对未来充满希望,也对接下来在清华大学物理系开展的高能物理实验研究有了详细的计划。
  他表示,高能物理实验是粒子物理研究的重要方法之一,近百年来,随着各种基本粒子的发现,成功验证了粒子物理的标准模型。可至今为止LHC已采集的数据还不到预计总量的5%,由此看来未来将有很大机会通过对实验数据的研究发现重要物理现象。在清华大学优厚的科研资源支持下,胡震预计会开展对Y+双轻子质量谱上的18GeV新粒子的研究,并向高能区进行推广。
  而针对TeV物理和Higgs物理,胡震计划与陈新教授一起,在物理系已有的基础上,进一步拓宽研究方向,并着重在LHC数据中寻找重Higgs粒子,还要在新数据中深入研究其重建标度、分辨率、触发效率和系统误差等细节问题。
  此外,预计要在2027年开始运行高亮度LHC,对探测器的各方面都提出更高的要求。因此,加强硬件贡献将会为清华大学赢得在LHC实验上的话语权,也会增强清华大学选择热点物理题目的竞争力。为此,胡震在清华高能物理中心的支持下,充分发挥清华大学在工科方面的优势,积极参与到探测器的升级改造工作中。胡震表示,尽管现在只是他来到清华大学的第一年,但他已经把清华当作自己物理追梦的大本营,也计划下一步开始推动清华大学与中国科学院高能所的合作,共同进行硅探测器电子学的研究。
  在忙着粒子物理研究的同时,胡震会抽出时间关注中国在CEPC建立方面的进展,他希望我国这一环形对撞机能够尽早实现与国外对撞机的技术“对撞”。
  在物理世界里的一次次探索,是胡震与科学最美好的遇见;而实验获得的一个个令人欣喜的数据,是他与团队无数个奋战日夜后的欣慰。他也将继续怀揣有关粒子物理的梦想,在未来交出更亮眼的成绩单。科
  

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2019年5月下

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