YoungTalk NO.5回顧 | 趙一揚(yáng)：在粒子中發(fā)現(xiàn)宇宙 ——從粒子物理前沿到本科生科研實(shí)踐

活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是人類目前描述物質(zhì)世界構(gòu)成的最佳理論，而要更深入地理解夸克組成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索宇宙的起源與演化，測(cè)量重味夸克偶素在強(qiáng)子對(duì)撞中的產(chǎn)生截面（即產(chǎn)生概率）是一條重要的研究路徑。

主講人趙一揚(yáng)

9月20日上午，清華大學(xué)科學(xué)博物館在人文樓B206舉辦了一場(chǎng)別開生面的YoungTalk講座。本次活動(dòng)特邀清華大學(xué)第43屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽基礎(chǔ)科學(xué)賽道特等獎(jiǎng)獲得者、未央書院電21班趙一揚(yáng)同學(xué)擔(dān)任主講，分享他在“挑戰(zhàn)杯”參賽項(xiàng)目中的研究成果與心路歷程。

特邀嘉賓，左為胡震；右為梁曦東

清華大學(xué)物理系副教授、粒子物理核物理天體物理研究所副所長(zhǎng)胡震作為指導(dǎo)老師親臨現(xiàn)場(chǎng)并作專業(yè)點(diǎn)評(píng)。未央書院院長(zhǎng)、電機(jī)系長(zhǎng)聘教授梁曦東也出席了本次活動(dòng)，與現(xiàn)場(chǎng)觀眾進(jìn)行了深入交流。

范愛(ài)紅主持

講座由清華大學(xué)科學(xué)史系科學(xué)博物館聯(lián)合黨支部書記、事業(yè)發(fā)展部負(fù)責(zé)人范愛(ài)紅主持。現(xiàn)場(chǎng)氣氛熱烈，師生互動(dòng)頻繁，共同探討粒子物理的前沿研究。

以下是趙一揚(yáng)同學(xué)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)講述整理的分享內(nèi)容概要。

為何研究粒子物理

物理研究萬(wàn)物。從極小的基本粒子，到極大的宇宙，理解并描述自然界一切事物的基本規(guī)律，即“物理”。

極小上，更小的尺度，需要更高能的探針。從古希臘德謨克利特的原子論，到20世紀(jì)夸克模型的提出，人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷深入，研究手段也經(jīng)歷從光學(xué)顯微鏡到加速器的轉(zhuǎn)變。極大上，宇宙一直處于不可逆的演化中，只能通過(guò)對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，模擬宇宙大爆炸初期的能量環(huán)境，探索宇宙起源與演化。

圖1 歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

從極小到極大的前沿，都需要對(duì)撞機(jī)的參與，回答世界由何組成、宇宙從何而來(lái)。當(dāng)前，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，是對(duì)該問(wèn)題的最佳答案，成功解釋了大爆炸后0.1ns到現(xiàn)在的基本物理過(guò)程。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子

標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，相關(guān)研究也獲得數(shù)十個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。雖然歷經(jīng)波折，但在好奇心，和對(duì)物理規(guī)律簡(jiǎn)潔性的信念的驅(qū)動(dòng)下，抵達(dá)當(dāng)今的輝煌成就。

但標(biāo)準(zhǔn)模型并非完美，在四種基本相互作用中，強(qiáng)相互作用最復(fù)雜、研究最困難，認(rèn)知不完善。由于強(qiáng)相互作用強(qiáng)度，隨距離增大的反常性質(zhì)，參與強(qiáng)相互作用的粒子無(wú)法單獨(dú)存在。因此，由正反兩個(gè)夸克組成的夸克偶素，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成為研究強(qiáng)相互作用的窗口。夸克偶素的理論預(yù)測(cè)產(chǎn)生概率于實(shí)驗(yàn)測(cè)量不符，更精確測(cè)量其產(chǎn)生概率，成為研究熱點(diǎn)。

如何研究粒子物理

粒子物理研究依賴對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。如歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC），加速質(zhì)子至接近光速對(duì)撞，大量能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，產(chǎn)生夸克偶素等新奇粒子。夸克偶素可能衰變?yōu)橐粚?duì)繆子，其可在探測(cè)器中產(chǎn)生光電信號(hào)，被探測(cè)到。進(jìn)而可從繆子的能量、動(dòng)量反推，研究夸克偶素。

圖3 CMS實(shí)驗(yàn)中含繆子對(duì)的對(duì)撞事件示例

實(shí)驗(yàn)中，每秒質(zhì)子束流交叉對(duì)撞4000萬(wàn)次，所需數(shù)據(jù)帶寬為中國(guó)海底光纜總帶寬的2倍。正是為滿足這種大數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)的需求，1989年Tim Berners-Lee在歐洲核子研究中心，發(fā)明了萬(wàn)維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）技術(shù)，成為互聯(lián)網(wǎng)的雛形。LHC也有全球分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞澜绺鞯卮鎯?chǔ)。

圖4 LHC全球分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

即使有如此先進(jìn)的算力，將原始對(duì)撞數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)也是“天方夜譚”。幸運(yùn)的是，大多數(shù)據(jù)是研究不感興趣的噪聲，因此LHC上，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前，會(huì)施加篩選，只傳輸、存儲(chǔ)更可能包含夸克偶素等新奇粒子的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，進(jìn)一步施加篩選提升信噪比。通過(guò)分析繆子對(duì)的質(zhì)量分布，基于信號(hào)、噪聲大不同概率密度分布，區(qū)分信號(hào)峰與平滑噪聲，進(jìn)而獲取夸克偶素?cái)?shù)量，導(dǎo)出含夸克偶素對(duì)撞數(shù)、夸克偶素產(chǎn)生概率。

粒子物理的未來(lái)

盡管標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，但它并非最終答案。標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋中微子質(zhì)量起源，無(wú)法解釋為何我們目之所及均為物質(zhì)、而沒(méi)有反物質(zhì)的不對(duì)稱性，無(wú)法解釋暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)等。這些“烏云”，都暗示著新物理理論的存在。

未來(lái)，高能實(shí)驗(yàn)將朝更高能量，從而深入更小尺度發(fā)展。希望有朝一日，能在中國(guó)本土的對(duì)撞機(jī)上，發(fā)現(xiàn)世界的基本粒子。

科研感悟與思辨

本科生科研，也可以總結(jié)為“為什么”，和“怎么做”兩個(gè)問(wèn)題。科研動(dòng)機(jī)因人而異，或出于對(duì)未知的好奇，或?yàn)樯龑W(xué)深造準(zhǔn)備，沒(méi)有參考答案。但如何做，卻有共性：

01

盡早多嘗試：科研所需的知識(shí)與技能，往往超出課堂范圍。參與科研，而后有針對(duì)性學(xué)習(xí)理論，事半功倍。盡早嘗試不同方向，給予你更多發(fā)現(xiàn)熱愛(ài)的機(jī)會(huì)，也有針對(duì)性的提升理論和能力；

02

把握寒暑期時(shí)間：寒暑期課業(yè)壓力較小，一兩個(gè)月的專注投入，足以完成一個(gè)小課題的核心內(nèi)容；

03

尋找內(nèi)驅(qū)力、外動(dòng)力：找到擅長(zhǎng)，或者喜歡的方向，對(duì)形成正反饋、內(nèi)驅(qū)力必不可少。如果內(nèi)驅(qū)力不足，也可借助SRT、挑戰(zhàn)杯等硬性的任務(wù)，借助截止日期督促完成課題。