活動現(xiàn)場

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，測量重味夸克偶素在強子對撞中的產(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

9月20日上午，清華大學(xué)科學(xué)博物館在人文樓B206舉辦了一場別開生面的YoungTalk講座。本次活動特邀清華大學(xué)第43屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽基礎(chǔ)科學(xué)賽道特等獎獲得者、未央書院電21班趙一揚同學(xué)擔(dān)任主講，分享他在“挑戰(zhàn)杯”參賽項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胡震作為指導(dǎo)老師親臨現(xiàn)場并作專業(yè)點評。未央書院院長、電機系長聘教授梁曦東也出席了本次活動，與現(xiàn)場觀眾進行了深入交流。

范愛紅主持

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)人范愛紅主持。現(xiàn)場氣氛熱烈，師生互動頻繁，共同探討粒子物理的前沿研究。

以下是趙一揚同學(xué)根據(jù)現(xiàn)場講述整理的分享內(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，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不斷深入，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，只能通過對撞實驗，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子對撞機

從極小到極大的前沿，都需要對撞機的參與，回答世界由何組成、宇宙從何而來。當(dāng)前，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，是對該問題的最佳答案，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)半個多世紀(jì)，相關(guān)研究也獲得數(shù)十個諾貝爾獎。雖然歷經(jīng)波折，但在好奇心，和對物理規(guī)律簡潔性的信念的驅(qū)動下，抵達當(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，強相互作用最復(fù)雜、研究最困難，認(rèn)知不完善。由于強相互作用強度，隨距離增大的反常性質(zhì)，參與強相互作用的粒子無法單獨存在。因此，由正反兩個夸克組成的夸克偶素，因結(jié)構(gòu)簡單，成為研究強相互作用的窗口。夸克偶素的理論預(yù)測產(chǎn)生概率于實驗測量不符，更精確測量其產(chǎn)生概率，成為研究熱點。

如何研究粒子物理

粒子物理研究依賴對撞實驗。如歐洲核子中心的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），加速質(zhì)子至接近光速對撞，大量能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，產(chǎn)生夸克偶素等新奇粒子?？淇伺妓乜赡芩プ?yōu)橐粚娮?，其可在探測器中產(chǎn)生光電信號，被探測到。進而可從繆子的能量、動量反推，研究夸克偶素。

圖3 CMS實驗中含繆子對的對撞事件示例

實驗中，每秒質(zhì)子束流交叉對撞4000萬次，所需數(shù)據(jù)帶寬為中國海底光纜總帶寬的2倍。正是為滿足這種大數(shù)據(jù)計算、存儲的需求，1989年Tim Berners-Lee在歐洲核子研究中心，發(fā)明了萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）技術(shù)，成為互聯(lián)網(wǎng)的雛形。LHC也有全球分布式計算網(wǎng)絡(luò)，實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞澜绺鞯卮鎯Α?/p>

圖4 LHC全球分布式計算網(wǎng)絡(luò)

即使有如此先進的算力，將原始對撞數(shù)據(jù)全部存儲也是“天方夜譚”。幸運的是，大多數(shù)據(jù)是研究不感興趣的噪聲，因此LHC上，在存儲數(shù)據(jù)前，會施加篩選，只傳輸、存儲更可能包含夸克偶素等新奇粒子的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲后，進一步施加篩選提升信噪比。通過分析繆子對的質(zhì)量分布，基于信號、噪聲大不同概率密度分布，區(qū)分信號峰與平滑噪聲，進而獲取夸克偶素數(shù)量，導(dǎo)出含夸克偶素對撞數(shù)、夸克偶素產(chǎn)生概率。

粒子物理的未來

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)模型無法解釋中微子質(zhì)量起源，無法解釋為何我們目之所及均為物質(zhì)、而沒有反物質(zhì)的不對稱性，無法解釋暗物質(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，高能實驗將朝更高能量，從而深入更小尺度發(fā)展。希望有朝一日，能在中國本土的對撞機上，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”兩個問題。科研動機因人而異，或出于對未知的好奇，或為升學(xué)深造準(zhǔn)備，沒有參考答案。但如何做，卻有共性：

01

盡早多嘗試：科研所需的知識與技能，往往超出課堂范圍。參與科研，而后有針對性學(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)熱愛的機會，也有針對性的提升理論和能力；

02

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

03

尋找內(nèi)驅(qū)力、外動力：找到擅長，或者喜歡的方向，對形成正反饋、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。