傾心物理?yè)肀ЯＷ?/h1>
2019-09-10 06:10:28武光磊
科學(xué)中國(guó)人·下旬刊 2019年5期
武光磊
一顆發(fā)射到地球的“智子”對(duì)粒子加速器進(jìn)行了干擾，使人類(lèi)不能再探索物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)，從而鎖死了地球科技發(fā)展……這是小說(shuō)《三體》中的情節(jié)。彼時(shí)，即將攻讀研究生的胡震正在為選擇研究方向頗感困擾，這段情節(jié)讓他眼前一亮，好似看到了未來(lái)的發(fā)展方向。
“小說(shuō)中，加速器被干擾后，粒子物理基礎(chǔ)理論的研究無(wú)法進(jìn)行，其他各領(lǐng)域的發(fā)展也都將止步于這道無(wú)形的墻。地球科技無(wú)法跨越到下一層次，人類(lèi)在外星人面前，就好比冷兵器時(shí)代的原始人，即便刀劍磨得再鋒芒逼人，面對(duì)現(xiàn)代化的槍炮也不堪一擊。”胡震說(shuō)道。不想僅將研究之路停于表層，而是向往探尋更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的胡震，就這樣確定了自己的研究方向，開(kāi)始了粒子物理學(xué)的研究之路。
如今，在這條路上已經(jīng)孜孜不倦前行1O余年的胡震，在該領(lǐng)域的研究漸入佳境。他曾開(kāi)展尋找夸克膠子等離子體和B介子稀有衰變研究，也曾研發(fā)硅徑跡觸發(fā)電子學(xué)和芯片。在他看來(lái)，粒子物理中一個(gè)個(gè)懸而未決的謎團(tuán)，就是他最大的研究動(dòng)力。
“玩轉(zhuǎn)”物理
世界是由什么構(gòu)成的？又是什么把物質(zhì)緊緊地束縛在一起？
千百年來(lái)，人類(lèi)一直思索著這兩個(gè)基本問(wèn)題，而這兩個(gè)問(wèn)題之所以被不斷地推上“熱門(mén)搜索榜”，是因?yàn)楸澈蟮拇鸢覆粌H與人類(lèi)息息相關(guān)，同時(shí)也是理解與塑造有關(guān)宇宙背后定律的關(guān)鍵所在。
粒子物理學(xué)正是這樣一門(mén)學(xué)科，它研究的是構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子以及這些粒子之間是如何相互作用的。粒子物理學(xué)在改變?nèi)祟?lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的同時(shí)，也在其他科學(xué)領(lǐng)域以及教育與生活質(zhì)量的改變上做出了重大貢獻(xiàn)。從科學(xué)史上看，粒子物理學(xué)的研究范圍極為廣泛，涉及最大、最復(fù)雜且最精密的實(shí)驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，粒子物理學(xué)又是一門(mén)可以被應(yīng)用在方方面面的學(xué)科，從固體物理到醫(yī)學(xué)診斷再到分布式計(jì)算，處處都留下了粒子物理學(xué)的身影，它的神奇給無(wú)數(shù)人留下了極為深刻的記憶。胡震就是這許許多多人中的一分子，從高中開(kāi)始，他就對(duì)物理很感興趣，老師的引導(dǎo)加上高中一次參加物理競(jìng)賽取得的優(yōu)異成績(jī)，為胡震開(kāi)啟物理學(xué)習(xí)的大門(mén)給予了巨大的鼓勵(lì)。他也因此在考入四川大學(xué)后，毫不猶豫地選擇了物理作為研究專(zhuān)業(yè)。
都說(shuō)興趣是最好的老師，胡震在這位“最好老師”的帶領(lǐng)下，順利完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，并于2007年憑借優(yōu)異成績(jī)被保送到北京大學(xué)物理學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)粒子物理。來(lái)到北京大學(xué)以后，胡震再一次被物理的神奇所震撼，在高能實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人冒亞軍教授、導(dǎo)師錢(qián)思進(jìn)教授等老師和同學(xué)的指導(dǎo)幫助下，做出了多項(xiàng)突出貢獻(xiàn)。由于和美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的合作，胡震在碩士研究第二年來(lái)到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室做訪問(wèn)學(xué)者，期間他了解到了更多物理世界的神奇，也決定在完成碩士學(xué)業(yè)后繼續(xù)到國(guó)外汲取物理“養(yǎng)分”，于是碩士畢業(yè)后胡震于201O年來(lái)到美國(guó)普渡大學(xué)跟隨lan shipsey教授繼續(xù)探索物理世界。
在量子色動(dòng)力學(xué)中，由于色禁閉效應(yīng)的存在，自由夸克無(wú)法被直接觀測(cè)到。然而，有一種理論預(yù)言，在極高溫且壓強(qiáng)極高的環(huán)境中，色禁閉效應(yīng)將會(huì)被屏蔽，這樣就可以形成夸克和膠子自由存在的新物質(zhì)形態(tài)，稱為夸克膠子等離子體（QGP）。對(duì)QGP的尋找一直是量子色動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要課題，但無(wú)奈受實(shí)驗(yàn)條件所限，科學(xué)家至今都沒(méi)能證實(shí)其是否真實(shí)存在，比如，溫度需要達(dá)到2*1OK這一條件就讓無(wú)數(shù)研究學(xué)者犯了難。對(duì)該問(wèn)題的數(shù)學(xué)推導(dǎo)還被稱為世界七大數(shù)學(xué)難題之一。
作為cMs實(shí)驗(yàn)B物理組的核心成員之一，胡震勇挑重?fù)?dān)，探索QGP的奧秘。在積累多年的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，他果斷決定在重離子對(duì)撞中開(kāi)展底偶素Y→uu研究，成功首次在重離子對(duì)撞中觀測(cè)到了Y激發(fā)態(tài)相對(duì)于基態(tài)的壓低，成果發(fā)表在Phys.Rev.Lett上。次年，胡震基于大統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)，又繼而取得新突破，他首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了Y三個(gè)共振態(tài)的依次壓低（熔化）現(xiàn)象，為QGP的存在提供了有力的證據(jù)。
探索物理學(xué)，本質(zhì)上就是在探索一個(gè)全新的、未知的世界。而未知世界是無(wú)窮無(wú)盡的，從分子到原子，再到原子核、夸克，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知一直沒(méi)有窮盡，胡震對(duì)這個(gè)未知世界的探索自然也不會(huì)停止。據(jù)胡震介紹，從20世紀(jì)80年代至今，B物理領(lǐng)域最重要的研究目標(biāo)之一，就是尋找B?！鷘u純輕子稀有衰變。盡管有關(guān)實(shí)驗(yàn)做了無(wú)數(shù)次，但30多年來(lái)礙于實(shí)驗(yàn)精度不夠，科學(xué)家一直都沒(méi)有觀測(cè)到。此時(shí)，已經(jīng)對(duì)底偶素Y→uu做過(guò)多次測(cè)量的胡震對(duì)低能區(qū)的雙繆子衰變積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。他接下這份挑戰(zhàn)，改進(jìn)了核心的“提升決策樹(shù)”方法，糾正了以往事例選擇程序中的兩個(gè)隱蔽錯(cuò)誤，用BDT方法以4.3o的顯著度首次觀測(cè)到B?！鷘u衰變，精確測(cè)得其分支比為（3.O±1.O）×10，在1o偏差以內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期。
此后，胡震又于2014年3月加入了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Ted Liu領(lǐng)銜的一級(jí)徑跡觸發(fā)研究組。他了解到目前國(guó)內(nèi)在高能實(shí)驗(yàn)硬件，尤其是芯片研發(fā)方面的專(zhuān)業(yè)人才很稀缺，借此機(jī)會(huì)他開(kāi)始研發(fā)相關(guān)硬件。他與研究組共同依托實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)掌握的ATCA技術(shù)，成功自主研發(fā)了通用型ATCA數(shù)據(jù)傳輸主板Pulsar2b、徑跡模式識(shí)別夾板PRM等一系列全新硬件。研究團(tuán)隊(duì)還于2016年12月成功搭建了完整的小規(guī)模硬件系統(tǒng)，由此證明了CMS上一級(jí)徑跡觸發(fā)的可行性，并撰寫(xiě)了技術(shù)報(bào)告。隨后，研究組開(kāi)發(fā)的用FPGA做徑跡擬合的算法，也發(fā)表在了NIM上。
“回國(guó)是正確的選擇”
在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室工作的幾年間，胡震對(duì)物理學(xué)有了更加深入與全面的了解，取得的一系列成果也讓他在高能物理圈里“聲名赫赫”，但初心告訴他，做科研一定要為自己的國(guó)家增光添彩。2018年，胡震選擇回到清華大學(xué)物理系任助理教授?；貒?guó)后，他總有一種說(shuō)不出的親切感，也深切感受到了近年來(lái)國(guó)家的快速發(fā)展以及對(duì)科研的大力投入與支持，這一切都令胡震感到回國(guó)是一個(gè)正確的選擇，也令他對(duì)接下來(lái)的研究更加充滿斗志。
胡震表示，研究粒子物理，高能實(shí)驗(yàn)是繞不開(kāi)的重要方法之一，近百年來(lái)，高能實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展，使得各種基本粒子依次被發(fā)現(xiàn)，也成功驗(yàn)證了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。從獲得的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，都表明未來(lái)將會(huì)有很大機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，來(lái)發(fā)現(xiàn)其他重要的物理現(xiàn)象。胡震對(duì)此很是期待，回國(guó)后也決心開(kāi)始付諸實(shí)踐。
來(lái)到清華大學(xué)物理系任職后，胡震在系主任王亞愚教授和高能物理研究中心主任王青教授的支持下，僅僅用了不到3個(gè)月的時(shí)間，便成功推動(dòng)了清華物理系正式加入了歐洲核子中心的CMS合作組，實(shí)現(xiàn)了清華物理系cMS從無(wú)到有的突破。與此同時(shí)，胡震作為清華CMS組的第一人，在短時(shí)間內(nèi)組建了一支包含博士后、博士生、本科生、工程師在內(nèi)的完整科研隊(duì)伍，并與北京大學(xué)CMS組合作實(shí)現(xiàn)了Gem探測(cè)器的聯(lián)合研發(fā)與建造。目前，在校內(nèi)已成功建立了計(jì)算陣列平臺(tái)，并得到清華大學(xué)雙E基金資助，用于擴(kuò)展計(jì)算機(jī)群。
成功組建團(tuán)隊(duì)，獲得各方的大力支持后，胡震對(duì)接下來(lái)的研究更加斗志滿滿。他表示.在高能物理實(shí)驗(yàn)研究中.“低質(zhì)量多輕子末態(tài)”是一個(gè)尚未被深入探索過(guò)的領(lǐng)域。此前，針對(duì)LHC Run 1數(shù)據(jù)，歐洲核子中心的CMS實(shí)驗(yàn)合作組在低質(zhì)量多輕子末態(tài)Y（1s）uu中看到了新粒子的跡象，質(zhì)量在18@GeV附近。
胡震作為CMS實(shí)驗(yàn)上的Y測(cè)量專(zhuān)家，早在2014年年底便加入了低質(zhì)量多輕子末態(tài)Y（1S）UU的研究，已經(jīng)見(jiàn)證了18GeV質(zhì)量峰的出現(xiàn)，并全程參與了Run 1數(shù)據(jù)的相關(guān)研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
有了研究基礎(chǔ)，胡震2017年年底在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室與資深科學(xué)家Ted Liu合作，組建并領(lǐng)導(dǎo)了新的研究團(tuán)隊(duì)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)13TeV的Run 2數(shù)據(jù)展開(kāi)研究，并獨(dú)創(chuàng)性地提出了新的基于“事例混合”的堆積本底消除方法和物理本底模擬方法。這一全新的研究方案.不僅解決了高亮度數(shù)據(jù)分析中的難點(diǎn).更可直接推廣至更高的能區(qū)，開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。
而此次回到清華大學(xué)物理系后，胡震延續(xù)這一新思路，將低質(zhì)量多輕子末態(tài)的一系列創(chuàng)新研究思路和方法引入了清華高能物理研究中心。據(jù)悉，研究中心將充分發(fā)揮理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的特色，在低質(zhì)量能區(qū)構(gòu)造出合理的理論模型，從幾個(gè)GeV直至100個(gè)GeV的區(qū)間，在LHc實(shí)驗(yàn)上展開(kāi)全面的搜尋和研究，其中既包括已經(jīng)在LHC Run 1數(shù)據(jù)中看到新物理跡象的多輕子末態(tài)，也包括對(duì)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理有更強(qiáng)限制的雙繆子末態(tài)、雙電子末態(tài)、雙光子態(tài)等。
此外，2019年年初，胡震還與陳新教授合作，合力推動(dòng)清華大學(xué)物理系加入了CERN的FASER實(shí)驗(yàn)組，成為目前中國(guó)唯一參加FASER實(shí)驗(yàn)的單位。
FASER實(shí)驗(yàn)位于LHC上ATLAS對(duì)撞點(diǎn)外480米左右處的地下隧道中，主要用于探測(cè)質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生的弱相互作用輕粒子，如暗光子、暗希格斯玻色子、惰性中微子等，也可用于尋找類(lèi)軸子或其他超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。作為前向探測(cè)器，F(xiàn)ASER可以觀測(cè)到ATLAS和CMS等探測(cè)器無(wú)法覆蓋的、接近粒子束流方向的產(chǎn)物。同時(shí)，由于其距離ATLAS實(shí)驗(yàn)對(duì)撞點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此更適合探測(cè)長(zhǎng)壽命的粒子。
作為FAsER國(guó)際合作組成立的16個(gè)創(chuàng)始單位之一，清華大學(xué)物理系將在探測(cè)器研發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)分析等多個(gè)方面為FASER實(shí)驗(yàn)做出重要貢獻(xiàn)。目前，物理系承擔(dān)了探測(cè)器控制系統(tǒng)前端電子學(xué)的設(shè)計(jì)和制作、徑跡探測(cè)器準(zhǔn)直與刻度軟件的開(kāi)發(fā)等工作。胡震認(rèn)為：“我們預(yù)計(jì)將在未來(lái)兩年左右開(kāi)始運(yùn)行取數(shù)，并有希望在該領(lǐng)域取得有影響力的科研成果。”這項(xiàng)研究工作已經(jīng)得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)理科發(fā)展雙E計(jì)劃科研基金、清華大學(xué)自主科研經(jīng)費(fèi)的支持。
“回國(guó)是正確的選擇，但也是對(duì)自己新的挑戰(zhàn)?！焙鹫f(shuō)道。作為CMS實(shí)驗(yàn)物理數(shù)據(jù)組的召集人，為了實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行，胡震幾乎天天都與歐洲核子中心連線進(jìn)行視頻會(huì)議。由于北京與瑞士有六七個(gè)小時(shí)的時(shí)差，每到傍晚下班的時(shí)候，胡震忙碌的一天才真正開(kāi)始。有時(shí)候，幾個(gè)會(huì)開(kāi)完之后，就已經(jīng)到了第二天清晨，這時(shí)候，胡震才結(jié)束一天的工作，迎著朝陽(yáng)趕回家休息。
暢想未來(lái)
來(lái)到清華大學(xué)后.胡震對(duì)未來(lái)充滿希望.也對(duì)接下來(lái)在清華大學(xué)物理系開(kāi)展的高能物理實(shí)驗(yàn)研究有了詳細(xì)的計(jì)劃。
他表示，高能物理實(shí)驗(yàn)是粒子物理研究的重要方法之一，近百年來(lái)，隨著各種基本粒子的發(fā)現(xiàn)，成功驗(yàn)證了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型?？芍两駷橹筁HC已采集的數(shù)據(jù)還不到預(yù)計(jì)總量的5%，由此看來(lái)未來(lái)將有很大機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)重要物理現(xiàn)象。在清華大學(xué)優(yōu)厚的科研資源支持下，胡震預(yù)計(jì)會(huì)開(kāi)展對(duì)Y+雙輕子質(zhì)量譜上的18GEV新粒子的研究，并向高能區(qū)進(jìn)行推廣。
而針對(duì)TeV物理和Higgs物理，胡震計(jì)劃與陳新教授一起，在物理系已有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬研究方向，并著重在LHC數(shù)據(jù)中尋找重Higgs粒子，還要在新數(shù)據(jù)中深入研究其重建標(biāo)度、分辨率、觸發(fā)效率和系統(tǒng)誤差等細(xì)節(jié)問(wèn)題。
此外，預(yù)計(jì)要在2027年開(kāi)始運(yùn)行高亮度LHC，對(duì)探測(cè)器的各方面都提出更高的要求。因此，加強(qiáng)硬件貢獻(xiàn)將會(huì)為清華大學(xué)贏得在LHC實(shí)驗(yàn)上的話語(yǔ)權(quán)，也會(huì)增強(qiáng)清華大學(xué)選擇熱點(diǎn)物理題目的競(jìng)爭(zhēng)力。為此，胡震在清華高能物理中心的支持下，充分發(fā)揮清華大學(xué)在工科方面的優(yōu)勢(shì)，積極參與到探測(cè)器的升級(jí)改造工作中。胡震表示，盡管現(xiàn)在只是他來(lái)到清華大學(xué)的第一年，但他已經(jīng)把清華當(dāng)作自己物理追夢(mèng)的大本營(yíng)，也計(jì)劃下一步開(kāi)始推動(dòng)清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院高能所的合作，共同進(jìn)行硅探測(cè)器電子學(xué)的研究。
在忙著粒子物理研究的同時(shí).胡震會(huì)抽出時(shí)間關(guān)注中國(guó)在CEPC建立方面的進(jìn)展，他希望我國(guó)這一環(huán)形對(duì)撞機(jī)能夠盡早實(shí)現(xiàn)與國(guó)外對(duì)撞機(jī)的技術(shù)“對(duì)撞”。
在物理世界里的一次次探索，是胡震與科學(xué)最美好的遇見(jiàn)：而實(shí)驗(yàn)獲得的一個(gè)個(gè)令人欣喜的數(shù)據(jù)，是他與團(tuán)隊(duì)無(wú)數(shù)個(gè)奮戰(zhàn)日夜后的欣慰。他也將繼續(xù)懷揣有關(guān)粒子物理的夢(mèng)想，在未來(lái)交出更亮眼的成績(jī)單。
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武光磊
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“小說(shuō)中，加速器被干擾后，粒子物理基礎(chǔ)理論的研究無(wú)法進(jìn)行，其他各領(lǐng)域的發(fā)展也都將止步于這道無(wú)形的墻。地球科技無(wú)法跨越到下一層次，人類(lèi)在外星人面前，就好比冷兵器時(shí)代的原始人，即便刀劍磨得再鋒芒逼人，面對(duì)現(xiàn)代化的槍炮也不堪一擊。”胡震說(shuō)道。不想僅將研究之路停于表層，而是向往探尋更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的胡震，就這樣確定了自己的研究方向，開(kāi)始了粒子物理學(xué)的研究之路。
如今，在這條路上已經(jīng)孜孜不倦前行1O余年的胡震，在該領(lǐng)域的研究漸入佳境。他曾開(kāi)展尋找夸克膠子等離子體和B介子稀有衰變研究，也曾研發(fā)硅徑跡觸發(fā)電子學(xué)和芯片。在他看來(lái)，粒子物理中一個(gè)個(gè)懸而未決的謎團(tuán)，就是他最大的研究動(dòng)力。
“玩轉(zhuǎn)”物理
世界是由什么構(gòu)成的？又是什么把物質(zhì)緊緊地束縛在一起？
千百年來(lái)，人類(lèi)一直思索著這兩個(gè)基本問(wèn)題，而這兩個(gè)問(wèn)題之所以被不斷地推上“熱門(mén)搜索榜”，是因?yàn)楸澈蟮拇鸢覆粌H與人類(lèi)息息相關(guān)，同時(shí)也是理解與塑造有關(guān)宇宙背后定律的關(guān)鍵所在。
粒子物理學(xué)正是這樣一門(mén)學(xué)科，它研究的是構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子以及這些粒子之間是如何相互作用的。粒子物理學(xué)在改變?nèi)祟?lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的同時(shí)，也在其他科學(xué)領(lǐng)域以及教育與生活質(zhì)量的改變上做出了重大貢獻(xiàn)。從科學(xué)史上看，粒子物理學(xué)的研究范圍極為廣泛，涉及最大、最復(fù)雜且最精密的實(shí)驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，粒子物理學(xué)又是一門(mén)可以被應(yīng)用在方方面面的學(xué)科，從固體物理到醫(yī)學(xué)診斷再到分布式計(jì)算，處處都留下了粒子物理學(xué)的身影，它的神奇給無(wú)數(shù)人留下了極為深刻的記憶。胡震就是這許許多多人中的一分子，從高中開(kāi)始，他就對(duì)物理很感興趣，老師的引導(dǎo)加上高中一次參加物理競(jìng)賽取得的優(yōu)異成績(jī)，為胡震開(kāi)啟物理學(xué)習(xí)的大門(mén)給予了巨大的鼓勵(lì)。他也因此在考入四川大學(xué)后，毫不猶豫地選擇了物理作為研究專(zhuān)業(yè)。
都說(shuō)興趣是最好的老師，胡震在這位“最好老師”的帶領(lǐng)下，順利完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，并于2007年憑借優(yōu)異成績(jī)被保送到北京大學(xué)物理學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)粒子物理。來(lái)到北京大學(xué)以后，胡震再一次被物理的神奇所震撼，在高能實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人冒亞軍教授、導(dǎo)師錢(qián)思進(jìn)教授等老師和同學(xué)的指導(dǎo)幫助下，做出了多項(xiàng)突出貢獻(xiàn)。由于和美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的合作，胡震在碩士研究第二年來(lái)到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室做訪問(wèn)學(xué)者，期間他了解到了更多物理世界的神奇，也決定在完成碩士學(xué)業(yè)后繼續(xù)到國(guó)外汲取物理“養(yǎng)分”，于是碩士畢業(yè)后胡震于201O年來(lái)到美國(guó)普渡大學(xué)跟隨lan shipsey教授繼續(xù)探索物理世界。
在量子色動(dòng)力學(xué)中，由于色禁閉效應(yīng)的存在，自由夸克無(wú)法被直接觀測(cè)到。然而，有一種理論預(yù)言，在極高溫且壓強(qiáng)極高的環(huán)境中，色禁閉效應(yīng)將會(huì)被屏蔽，這樣就可以形成夸克和膠子自由存在的新物質(zhì)形態(tài)，稱為夸克膠子等離子體（QGP）。對(duì)QGP的尋找一直是量子色動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要課題，但無(wú)奈受實(shí)驗(yàn)條件所限，科學(xué)家至今都沒(méi)能證實(shí)其是否真實(shí)存在，比如，溫度需要達(dá)到2*1OK這一條件就讓無(wú)數(shù)研究學(xué)者犯了難。對(duì)該問(wèn)題的數(shù)學(xué)推導(dǎo)還被稱為世界七大數(shù)學(xué)難題之一。
作為cMs實(shí)驗(yàn)B物理組的核心成員之一，胡震勇挑重?fù)?dān)，探索QGP的奧秘。在積累多年的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，他果斷決定在重離子對(duì)撞中開(kāi)展底偶素Y→uu研究，成功首次在重離子對(duì)撞中觀測(cè)到了Y激發(fā)態(tài)相對(duì)于基態(tài)的壓低，成果發(fā)表在Phys.Rev.Lett上。次年，胡震基于大統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)，又繼而取得新突破，他首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了Y三個(gè)共振態(tài)的依次壓低（熔化）現(xiàn)象，為QGP的存在提供了有力的證據(jù)。
探索物理學(xué)，本質(zhì)上就是在探索一個(gè)全新的、未知的世界。而未知世界是無(wú)窮無(wú)盡的，從分子到原子，再到原子核、夸克，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知一直沒(méi)有窮盡，胡震對(duì)這個(gè)未知世界的探索自然也不會(huì)停止。據(jù)胡震介紹，從20世紀(jì)80年代至今，B物理領(lǐng)域最重要的研究目標(biāo)之一，就是尋找B?！鷘u純輕子稀有衰變。盡管有關(guān)實(shí)驗(yàn)做了無(wú)數(shù)次，但30多年來(lái)礙于實(shí)驗(yàn)精度不夠，科學(xué)家一直都沒(méi)有觀測(cè)到。此時(shí)，已經(jīng)對(duì)底偶素Y→uu做過(guò)多次測(cè)量的胡震對(duì)低能區(qū)的雙繆子衰變積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。他接下這份挑戰(zhàn)，改進(jìn)了核心的“提升決策樹(shù)”方法，糾正了以往事例選擇程序中的兩個(gè)隱蔽錯(cuò)誤，用BDT方法以4.3o的顯著度首次觀測(cè)到B?！鷘u衰變，精確測(cè)得其分支比為（3.O±1.O）×10，在1o偏差以內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期。
此后，胡震又于2014年3月加入了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Ted Liu領(lǐng)銜的一級(jí)徑跡觸發(fā)研究組。他了解到目前國(guó)內(nèi)在高能實(shí)驗(yàn)硬件，尤其是芯片研發(fā)方面的專(zhuān)業(yè)人才很稀缺，借此機(jī)會(huì)他開(kāi)始研發(fā)相關(guān)硬件。他與研究組共同依托實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)掌握的ATCA技術(shù)，成功自主研發(fā)了通用型ATCA數(shù)據(jù)傳輸主板Pulsar2b、徑跡模式識(shí)別夾板PRM等一系列全新硬件。研究團(tuán)隊(duì)還于2016年12月成功搭建了完整的小規(guī)模硬件系統(tǒng)，由此證明了CMS上一級(jí)徑跡觸發(fā)的可行性，并撰寫(xiě)了技術(shù)報(bào)告。隨后，研究組開(kāi)發(fā)的用FPGA做徑跡擬合的算法，也發(fā)表在了NIM上。
“回國(guó)是正確的選擇”
在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室工作的幾年間，胡震對(duì)物理學(xué)有了更加深入與全面的了解，取得的一系列成果也讓他在高能物理圈里“聲名赫赫”，但初心告訴他，做科研一定要為自己的國(guó)家增光添彩。2018年，胡震選擇回到清華大學(xué)物理系任助理教授?；貒?guó)后，他總有一種說(shuō)不出的親切感，也深切感受到了近年來(lái)國(guó)家的快速發(fā)展以及對(duì)科研的大力投入與支持，這一切都令胡震感到回國(guó)是一個(gè)正確的選擇，也令他對(duì)接下來(lái)的研究更加充滿斗志。
胡震表示，研究粒子物理，高能實(shí)驗(yàn)是繞不開(kāi)的重要方法之一，近百年來(lái)，高能實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展，使得各種基本粒子依次被發(fā)現(xiàn)，也成功驗(yàn)證了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。從獲得的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，都表明未來(lái)將會(huì)有很大機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，來(lái)發(fā)現(xiàn)其他重要的物理現(xiàn)象。胡震對(duì)此很是期待，回國(guó)后也決心開(kāi)始付諸實(shí)踐。
來(lái)到清華大學(xué)物理系任職后，胡震在系主任王亞愚教授和高能物理研究中心主任王青教授的支持下，僅僅用了不到3個(gè)月的時(shí)間，便成功推動(dòng)了清華物理系正式加入了歐洲核子中心的CMS合作組，實(shí)現(xiàn)了清華物理系cMS從無(wú)到有的突破。與此同時(shí)，胡震作為清華CMS組的第一人，在短時(shí)間內(nèi)組建了一支包含博士后、博士生、本科生、工程師在內(nèi)的完整科研隊(duì)伍，并與北京大學(xué)CMS組合作實(shí)現(xiàn)了Gem探測(cè)器的聯(lián)合研發(fā)與建造。目前，在校內(nèi)已成功建立了計(jì)算陣列平臺(tái)，并得到清華大學(xué)雙E基金資助，用于擴(kuò)展計(jì)算機(jī)群。
成功組建團(tuán)隊(duì)，獲得各方的大力支持后，胡震對(duì)接下來(lái)的研究更加斗志滿滿。他表示.在高能物理實(shí)驗(yàn)研究中.“低質(zhì)量多輕子末態(tài)”是一個(gè)尚未被深入探索過(guò)的領(lǐng)域。此前，針對(duì)LHC Run 1數(shù)據(jù)，歐洲核子中心的CMS實(shí)驗(yàn)合作組在低質(zhì)量多輕子末態(tài)Y（1s）uu中看到了新粒子的跡象，質(zhì)量在18@GeV附近。
胡震作為CMS實(shí)驗(yàn)上的Y測(cè)量專(zhuān)家，早在2014年年底便加入了低質(zhì)量多輕子末態(tài)Y（1S）UU的研究，已經(jīng)見(jiàn)證了18GeV質(zhì)量峰的出現(xiàn)，并全程參與了Run 1數(shù)據(jù)的相關(guān)研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
有了研究基礎(chǔ)，胡震2017年年底在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室與資深科學(xué)家Ted Liu合作，組建并領(lǐng)導(dǎo)了新的研究團(tuán)隊(duì)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)13TeV的Run 2數(shù)據(jù)展開(kāi)研究，并獨(dú)創(chuàng)性地提出了新的基于“事例混合”的堆積本底消除方法和物理本底模擬方法。這一全新的研究方案.不僅解決了高亮度數(shù)據(jù)分析中的難點(diǎn).更可直接推廣至更高的能區(qū)，開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。
而此次回到清華大學(xué)物理系后，胡震延續(xù)這一新思路，將低質(zhì)量多輕子末態(tài)的一系列創(chuàng)新研究思路和方法引入了清華高能物理研究中心。據(jù)悉，研究中心將充分發(fā)揮理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的特色，在低質(zhì)量能區(qū)構(gòu)造出合理的理論模型，從幾個(gè)GeV直至100個(gè)GeV的區(qū)間，在LHc實(shí)驗(yàn)上展開(kāi)全面的搜尋和研究，其中既包括已經(jīng)在LHC Run 1數(shù)據(jù)中看到新物理跡象的多輕子末態(tài)，也包括對(duì)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理有更強(qiáng)限制的雙繆子末態(tài)、雙電子末態(tài)、雙光子態(tài)等。
此外，2019年年初，胡震還與陳新教授合作，合力推動(dòng)清華大學(xué)物理系加入了CERN的FASER實(shí)驗(yàn)組，成為目前中國(guó)唯一參加FASER實(shí)驗(yàn)的單位。
FASER實(shí)驗(yàn)位于LHC上ATLAS對(duì)撞點(diǎn)外480米左右處的地下隧道中，主要用于探測(cè)質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生的弱相互作用輕粒子，如暗光子、暗希格斯玻色子、惰性中微子等，也可用于尋找類(lèi)軸子或其他超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。作為前向探測(cè)器，F(xiàn)ASER可以觀測(cè)到ATLAS和CMS等探測(cè)器無(wú)法覆蓋的、接近粒子束流方向的產(chǎn)物。同時(shí)，由于其距離ATLAS實(shí)驗(yàn)對(duì)撞點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此更適合探測(cè)長(zhǎng)壽命的粒子。
作為FAsER國(guó)際合作組成立的16個(gè)創(chuàng)始單位之一，清華大學(xué)物理系將在探測(cè)器研發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)分析等多個(gè)方面為FASER實(shí)驗(yàn)做出重要貢獻(xiàn)。目前，物理系承擔(dān)了探測(cè)器控制系統(tǒng)前端電子學(xué)的設(shè)計(jì)和制作、徑跡探測(cè)器準(zhǔn)直與刻度軟件的開(kāi)發(fā)等工作。胡震認(rèn)為：“我們預(yù)計(jì)將在未來(lái)兩年左右開(kāi)始運(yùn)行取數(shù)，并有希望在該領(lǐng)域取得有影響力的科研成果。”這項(xiàng)研究工作已經(jīng)得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)理科發(fā)展雙E計(jì)劃科研基金、清華大學(xué)自主科研經(jīng)費(fèi)的支持。
“回國(guó)是正確的選擇，但也是對(duì)自己新的挑戰(zhàn)?！焙鹫f(shuō)道。作為CMS實(shí)驗(yàn)物理數(shù)據(jù)組的召集人，為了實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行，胡震幾乎天天都與歐洲核子中心連線進(jìn)行視頻會(huì)議。由于北京與瑞士有六七個(gè)小時(shí)的時(shí)差，每到傍晚下班的時(shí)候，胡震忙碌的一天才真正開(kāi)始。有時(shí)候，幾個(gè)會(huì)開(kāi)完之后，就已經(jīng)到了第二天清晨，這時(shí)候，胡震才結(jié)束一天的工作，迎著朝陽(yáng)趕回家休息。
暢想未來(lái)
來(lái)到清華大學(xué)后.胡震對(duì)未來(lái)充滿希望.也對(duì)接下來(lái)在清華大學(xué)物理系開(kāi)展的高能物理實(shí)驗(yàn)研究有了詳細(xì)的計(jì)劃。
他表示，高能物理實(shí)驗(yàn)是粒子物理研究的重要方法之一，近百年來(lái)，隨著各種基本粒子的發(fā)現(xiàn)，成功驗(yàn)證了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型?？芍两駷橹筁HC已采集的數(shù)據(jù)還不到預(yù)計(jì)總量的5%，由此看來(lái)未來(lái)將有很大機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)重要物理現(xiàn)象。在清華大學(xué)優(yōu)厚的科研資源支持下，胡震預(yù)計(jì)會(huì)開(kāi)展對(duì)Y+雙輕子質(zhì)量譜上的18GEV新粒子的研究，并向高能區(qū)進(jìn)行推廣。
而針對(duì)TeV物理和Higgs物理，胡震計(jì)劃與陳新教授一起，在物理系已有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬研究方向，并著重在LHC數(shù)據(jù)中尋找重Higgs粒子，還要在新數(shù)據(jù)中深入研究其重建標(biāo)度、分辨率、觸發(fā)效率和系統(tǒng)誤差等細(xì)節(jié)問(wèn)題。
此外，預(yù)計(jì)要在2027年開(kāi)始運(yùn)行高亮度LHC，對(duì)探測(cè)器的各方面都提出更高的要求。因此，加強(qiáng)硬件貢獻(xiàn)將會(huì)為清華大學(xué)贏得在LHC實(shí)驗(yàn)上的話語(yǔ)權(quán)，也會(huì)增強(qiáng)清華大學(xué)選擇熱點(diǎn)物理題目的競(jìng)爭(zhēng)力。為此，胡震在清華高能物理中心的支持下，充分發(fā)揮清華大學(xué)在工科方面的優(yōu)勢(shì)，積極參與到探測(cè)器的升級(jí)改造工作中。胡震表示，盡管現(xiàn)在只是他來(lái)到清華大學(xué)的第一年，但他已經(jīng)把清華當(dāng)作自己物理追夢(mèng)的大本營(yíng)，也計(jì)劃下一步開(kāi)始推動(dòng)清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院高能所的合作，共同進(jìn)行硅探測(cè)器電子學(xué)的研究。
在忙著粒子物理研究的同時(shí).胡震會(huì)抽出時(shí)間關(guān)注中國(guó)在CEPC建立方面的進(jìn)展，他希望我國(guó)這一環(huán)形對(duì)撞機(jī)能夠盡早實(shí)現(xiàn)與國(guó)外對(duì)撞機(jī)的技術(shù)“對(duì)撞”。
在物理世界里的一次次探索，是胡震與科學(xué)最美好的遇見(jiàn)：而實(shí)驗(yàn)獲得的一個(gè)個(gè)令人欣喜的數(shù)據(jù)，是他與團(tuán)隊(duì)無(wú)數(shù)個(gè)奮戰(zhàn)日夜后的欣慰。他也將繼續(xù)懷揣有關(guān)粒子物理的夢(mèng)想，在未來(lái)交出更亮眼的成績(jī)單。
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