本刊記者 廖瀟莎

從1994年LHC項目的批準，設計到建造，這項耗資百億美元的龐大工程終于歷經(jīng)14年，于2008年正式建成。在短短的4年時間后，2012年7月歐洲核子研究中心（CERN）在大型強子對撞機（LHC）實驗中（ATLAS和CMS）發(fā)現(xiàn)了期待已久的希格斯玻色子，也就是人們所熟知的“上帝粒子”。

“從提出‘上帝粒子’這個理論到現(xiàn)在，將近半個世紀。成千上萬的科學家為此而奉獻，很多科學家遺憾地離開。我參與研究‘上帝粒子’十幾年，能親自在實驗中看到它的存在，感覺這輩子都值了?！鄙頌樯虾＝煌ù髮W對撞機實驗組負責人的楊海軍感到無比欣慰和自豪，因為他為這一劃時代的偉大發(fā)現(xiàn)貢獻了一份力量。

追尋上帝粒子的足跡

1998年，時年24歲的楊海軍通過中國科學院高能物理研究所和瑞士聯(lián)邦理工學院(ETH, Zurich，導師Martin Pohl教授)聯(lián)合培養(yǎng)到歐洲核子研究中心（CERN）的L3國際合作組攻讀博士學位，2000年獲得粒子物理與原子核物理博士學位。2000～2012年，他在美國密歇根大學物理系任博士后和研究員時就展露出突出的科研能力。2004～2009年期間，他作為美國密歇根大學研究小組的項目負責人(PI)參與美國費米國立加速器實驗室的MiniBoo NE中微子振蕩實驗，研究成果被美國物理聯(lián)合會評為2007年度十大物理學進展之一。

超群的科研稟賦，為楊海軍追尋上帝粒子贏得了成功的機會。而他最早開始追尋上帝粒子始于2000年，他當時來到歐洲核子研究中心從事博士后研究工作，在LEP對撞機上的L3實驗組，開始了對希格斯粒子的尋找。這項工作由諾貝爾獎獲得者、著名物理學家丁肇中教授領導。然而，在當時，遺憾的是，實驗證明LEP對撞機能量不夠高，無法直接產(chǎn)生希格斯粒子，后來，為了給現(xiàn)在的LHC騰出對撞環(huán)和實驗區(qū)而關閉了。

實際上，從1964年開始，科學家就孜孜不倦地設計各種實驗來觀測和證實存在“上帝粒子”這一大膽的理論預言。

楊海軍早年曾在美國費米國立加速器實驗室做過研究。他告訴記者，當時，Tevatron對撞機也把目標瞄準希格斯。對撞機的能量足夠高，也能直接產(chǎn)生希格斯粒子和在實驗數(shù)據(jù)中看到希格斯的蹤跡，但是實驗信號的統(tǒng)計顯著性不夠高。Tevatron實驗的對撞能量和產(chǎn)生希格斯粒子的能力遠遠不及LHC實驗，因此在2011年9月費米實驗室決定關閉了Tevatron。

終于，2008年9月，在瑞士和法國交界地區(qū)地下100米深處的周長為27公里的環(huán)形隧道里，大型強子對撞機安裝完畢。這是人類有史以來規(guī)模最龐大、能量最高的質子對撞機。借助這臺超級裝置，兩個各自擁有3000余名研究人員規(guī)模的大型國際合作實驗ATLAS和CMS同步進行。全球80多個國家近萬名科學家和工程師蓄勢待發(fā)，參與大型強子對撞機實驗。

2005年開始，楊海軍參與到LHC的ATLAS國際合作實驗項目中，2009～2013年成為ATLAS實驗組大批量實驗數(shù)據(jù)處理的聯(lián)絡人之一，負責Monte Carlo模擬數(shù)據(jù)和實驗對撞數(shù)據(jù)的處理，用于后繼的物理分析。同時，他還直接參與希格斯衰變到四輕子“黃金衰變道”的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。“這無疑是一條漫長而艱辛的路，需要全世界的科學家為之努力，而且需要長期堅持不懈?！睏詈＼姺浅Ｇ宄@項研究的未知和艱難。

貢獻數(shù)據(jù)分析的關鍵一環(huán)

2012年，英國理論物理學家彼得·希格斯與比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒因希格斯粒子的理論預言獲得2013年諾貝爾物理學獎。雖然獲獎者只有兩人，但這項龐大的工作是在全球科學家通力協(xié)作才能完成的，這其中的中國力量不容小覷。

“如果說建造世界上最大的大型強子對撞機是為了提高粒子能量，為希格斯玻色子的產(chǎn)生提供更大可能，建造大型的探測器是為了把所有碰撞后產(chǎn)生粒子的信息都準確地記錄下來；那么，要想找到神秘的‘上帝粒子’，還必須有最先進的粒子鑒別算法在碰撞后進行鑒別篩選。因為平均每1萬億次碰撞事例才能產(chǎn)生一個希格斯玻色子，碰撞后產(chǎn)生的粒子不僅數(shù)量多，種類也繁多，如果沒有有效的粒子鑒別篩選方法，即使產(chǎn)生了希格斯玻色子，也將從我們眼皮底下溜過去。”楊海軍介紹了篩選、發(fā)現(xiàn)、證實所需粒子的艱難。

在發(fā)現(xiàn)并證實希格斯玻色子存在的過程中，一項名為“推進的決策樹-BDT”的數(shù)據(jù)分析方法起到了關鍵性作用。而將這種先進的數(shù)據(jù)分析方法最早引入粒子物理領域的，正是楊海軍和他在美國密歇根大學的同事。2004年，他們率先將BDT方法用于美國費米國立加速器實驗室的MiniBooNE實驗，使得粒子鑒別效率比原有的人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法有顯著提高。他以第一作者或通訊作者發(fā)表了4篇系統(tǒng)研究BDT的論文。這幾篇BDT論文對整個粒子物理學界以及相關暗物質和暗能量探測的實驗數(shù)據(jù)分析，起到了重要的影響和推動作用。后來在美國費米國立加速器實驗室發(fā)現(xiàn)單頂夸克粒子，正是以BDT作為主要的數(shù)據(jù)分析手段。

因為該方法在實際應用上的優(yōu)越性能，接下來的近10年，世界范圍內的眾多大型粒子物理實驗組和理論家已經(jīng)廣泛采用BDT方法作為主要的物理分析工具。而BDT方法在2007年被歐洲核子中心CERN的多變量數(shù)據(jù)分析軟件包（TMVA）收錄后，中心的ATLAS、CMS、LHCb 和ALICE等實驗組也都開始使用BDT。最終，為證實希格斯玻色子的存在起到了關鍵性的作用。

專家簡介：

楊海軍，上海交通大學物理與天文系教授，粒子物理宇宙學研究所副所長，博士生導師，粒子物理學科帶頭人，入選“國家青年千人”和“上海千人”計劃。目前為上海交通大學對撞機實驗組的負責人，主要參與大型強子對撞機(LHC)的ATLAS國際合作實驗，北京正負電子對撞機(BEPC)的BESIII合作組和未來高能環(huán)形對撞機(CEPC-SPPC)的預研。

2000年獲中國科學院高能物理研究所和瑞士聯(lián)邦理工學院聯(lián)合培養(yǎng)博士學位。2000年至2012年在美國密歇根大學物理系任職。2012年起受聘上海交通大學物理與天文系教授。2013年起任中國大型環(huán)形正負電子對撞機—超級質子對撞機項目執(zhí)行委員會核心成員。先后參與歐洲核子研究中心（CERN）大型正負電子對撞機（LEP）的L3實驗（1997～2005年），美國費米國立加速器實驗室的MiniBooNE實驗（2003～2009年）和歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的ATLAS實驗（2005年起至今），對希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻。

證明希格斯場的存在

“上帝粒子”是用來解釋世間萬物質量起源的，是物理學界最重大的問題之一。楊海軍說：“科學家的研究有很多領域有淺顯的，也有繁瑣深奧的。我希望可以挑戰(zhàn)自己，用我的一生去攻克一個難題?！边@個難題，恐怕就起源于“上帝粒子”。

楊海軍說，粒子物理標準模型理論內在的對稱性要求基本粒子是無質量的，但是在實驗上我們觀察到絕大部分基本粒子具有質量。因此，對于粒子質量的來源，理論和實驗觀察之間存在非常尖銳的矛盾。為了解決這一棘手難題，三個相互獨立的研究小組（F.Englert and R. Brout; P.W. Higgs;G. Guralnik, C. Hagen, and T.W.B.Kibble)于1964年分別提出了一種機制來解釋對稱性破缺這一問題。一旦把這個想法納入到理論公式中，電弱相互作用對稱性破缺機制將使基本粒子獲得質量。彼得·希格斯明確指出，該機制的成立需要有一個當時未知的粒子存在，現(xiàn)今我們稱之為希格斯玻色子。

楊海軍告訴記者，根據(jù)目前的理解，所有粒子在宇宙大爆炸剛發(fā)生后都是無質量的。隨著宇宙的冷卻、溫度降低到某一臨界值，一種無形的場——“希格斯場”開始形成，并充滿整個宇宙空間?；玖Ｗ?，譬如W±和Z0玻色子，通過與希格斯場相互作用獲得質量，粒子與場之間相互作用越強，粒子獲得的質量就越重。

那么，希格斯場是怎么做到讓很多粒子帶上質量的？有一個經(jīng)典的比喻：假設將充滿真空的希格斯場變成崇拜偶像的粉絲們，這些粉絲充滿了一個大廳。現(xiàn)在，物質粒子進場，這些粒子有些是貴族，有些是名人，其中，還有一位是英國女王。也許英國女王最有名，最值得粉絲們求合影求簽名，她在這個大廳的行進速度最慢，從而質量最大。其次可能是某些足球明星，他行進的速度比女王稍快，再其次是其他名人。所以，物理粒子因為被希格斯場“纏”上了，才有了質量，例如電子。類似于光子是電磁場的量子，希格斯玻色子是希格斯場的量子。因為不能直接觀察到希格斯場，所以，科學家們利用大型強子對撞機實驗（LHC）來產(chǎn)生和觀測希格斯玻色子，進而證明希格斯場的存在。

楊海軍向記者詳細描述了證明希格斯場存在的意義。他說，希格斯場的存在不僅保持了電弱相互作用理論的內在對稱性，而且也解釋了我們在自然界中觀察到的對稱性破缺現(xiàn)象。如果沒有用于產(chǎn)生基本粒子質量的希格斯場存在，所有的粒子都將以光速運動，原子、分子無法形成，我們所熟知的物理世界也將不復存在。

成就大加速器的夢想

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)堪比人類登月的偉大發(fā)現(xiàn)，令無數(shù)科學家歡欣雀躍，因為這預示著高能物理又一黃金時代的到來。楊海軍也表示：“‘上帝粒子’的發(fā)現(xiàn)使人類對自然界的認識有了質的飛躍，但僅僅是個開端，我們所知的不過是冰山的一角，其背后還隱藏著無數(shù)深奧的秘密。我們還將繼續(xù)投入到‘上帝粒子’的研究當中去?！?/p>

2012年，楊海軍在國際頂級的高能物理實驗室和世界一流的大學學習和工作了十多年后，決定回國發(fā)展，期望在上海交通大學建立一支在國際上有影響力的高能物理實驗團隊，參與大型國際合作實驗。在他的推動下，上海交大已經(jīng)加入了ATLAS國際合作組，開始了與數(shù)十個世界一流大學的緊密合作，共同致力于大型國際合作項目中前沿重大課題的研究。

在他看來，研究“上帝粒子”將是一個漫長而艱辛的歷程。他回國的初衷明確而清晰，“我們這代人現(xiàn)在能做的，就是希望在中國推動和建立一個世界級的高能物理研究中心，培養(yǎng)一大批優(yōu)秀人才，為下一代能在高能物理最前沿做出重大貢獻搭建平臺，為他們種一棵能乘涼的大樹?！?0年前，國家領導人選擇建立北京正負電子對撞機使得中國從零起步到在世界高能物理學界占有一席之地。在國力快速上升的今天，我們能否為未來規(guī)劃更加宏偉的藍圖，使得中國在30年后成為世界高能物理學界的主導者和基礎物理研究的引領者？

在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的這座里程碑后，世界高能物理學界開始思考今后基礎物理學的研究方向，而中國科學家也開始綜合考慮重大科學前沿目標，尖端技術革新、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和國家大科學裝置遠景規(guī)劃等多方面因素，大膽提出了在中國本土建造下一代大型正負電子對撞機作為“希格斯工廠”的設想，之后再改造成世界上能量最高的超級質子質子對撞機。楊海軍還介紹說，中國高能物理學界正提出在國內建造大型環(huán)形高能對撞機的設想，約50～70公里長，是當今世界上最大對撞機LHC的2～3倍。如若實現(xiàn)，將大量制造希格斯粒子來精確研究其性質，深入研究基本粒子質量的起源，探索超出標準模型的新物理，為未來基礎物理學指引方向。正如2004年諾貝爾物理學獎得主David Gross所說，“現(xiàn)在中國有一個很好的機會在自然科學基礎研究方面起領導作用……我把這個夢想叫做‘中國大加速器（The Great Accelerator）’，這會和長城一樣引人矚目，但會比長城作用更大?！?/p>

在追尋粒子物理這條神秘的道路上，楊海軍富有激情并堅持篤定。高中時曾懸掛于教室的屈原詩句“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”至今都讓他深有感觸，領悟其內涵。他說：“攀登科學高峰之路是何等艱難和漫長，但這并不妨礙科學家追求真理、揭示自然界奧秘的勇氣和決心。”