对生活在柴米油盐中的普通人来说,构成物质世界的基本粒子显得过于遥远。而对高能物理学家来说,粒子的世界很精彩,有着奇特的魅力。

存在半个多世纪的五夸克态假设终被证实,中国高能物理学家做出重要贡献

近日,欧洲核子研究中心召开发布会,宣布观测到由五夸克组成的重子态,标志着人类离认识物质世界的本质又近了一步。这其中,就有我国清华大学高原宁团队和中国科学院大学科研人员所作出的贡献。

在粒子世界里,自在逍遥

来源:《人民日报》2015-7-23 赵婀娜 丁乐

对生活在柴米油盐中的普通人来说,构成物质世界的基本粒子显得过于遥远。而对高能物理学家来说,粒子的世界很精彩,有着奇特的魅力。

近日,欧洲核子研究中心召开发布会,宣布观测到由五夸克组成的重子态,标志着人类离认识物质世界的本质又近了一步。这其中,就有我国清华大学高原宁团队和中国科学院大学科研人员所作出的贡献。

从发现到证实五夸克态的存在,团队花了大半年时间反复验证,“守得云开见月明”

在五夸克态被确定存在后,原以为高原宁——清华大学高能物理研究中心主任、LHCb中国组的负责人平静的生活会被打破,但他仍是一副笑呵呵,和蔼可亲的样子,时常将印有CERN图样的扑克送给同事。多年来,“粒子”“夸克”一直是高原宁人生里的关键词。如今,生活的重心依旧。

高能物理学又称粒子物理学,致力于研究微观世界物质如何构成,万千粒子之间如何互动……粒子的“小世界”里蕴藏着大世界的秩序。

1964年,美国物理学家盖尔曼提出“夸克模型”,认为质子和中子不是基本粒子,而是由3个夸克组成的。盖尔曼也提到,可能存在奇特类型的粒子,比如在介子或重子中加入一对正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。为寻找这些奇特态的粒子,数十年来,科学家付出了巨大的努力。终于,2013年,中国科学家在北京谱仪实验上发现了zc粒子,被学界公认为是四夸克态存在的证据。而如今存在了半个多世纪的五夸克态假设终于被证实,粒子物理界为之振奋。这意味着,人类又发现了物质的新形式。

从发现到证实五夸克态的存在,团队花了大半年时间反复验证,排除了所有可能性才最终确定。而这半年时间,团队中每一个人的日程表,几乎是以分钟为单位来计时。

作为LHCb8个课题组其中之一的召集人,清华大学副教授杨振伟每天需要参加很多视频会议,时间排得满满当当。视频会议常常少则一二十人,多则上百号人,分析数据、讨论问题、交流进展、协调分歧,杨振伟俨然一个“大家长”。北京与欧洲有六七个小时的时差,通常下午开完一个会,接着晚上又有一个,中间他还得挤出时间和家人吃顿晚饭,再匆匆赶回学校。他常常诧异,怎么转眼就到凌晨了?

在视频会议之外,团队还要常常往欧洲跑。清华大学副教授张黎明周五还在清华做实验,两天后已身在欧洲核子研究中心,承担科研组的监测值班任务。

对于“守得云开见月明”,高原宁团队只兴奋了不长时间,“接下来,还有很多该做的,正如十几年来一直做的那样。”高原宁心里已经开始盘算接下来的任务,当初从猜测到证实,试了上百种组合可能性;现在分析五夸克态的组织结构和规律,后续研究将需要更持久的努力,“就如同年复一年看星星,团队突然被五夸克态这颗流星照亮了。但还有比这更大的流星,接下来仍要日复一日地继续。”

中国人担任欧洲核子研究中心8个物理课题组中两个组的召集人,成为“梦之队”的一员?

相较于这次成果的取得,更令团队引以为荣的,是能够成为高能物理研究“世界梦之队”的一员。

欧洲核子研究中心是粒子物理界的“梦之队”。这里有着最先进的设备、最前沿的理念、全世界最优秀的高能物理领域的科研人员。而在这里的8个物理课题组中,中国成员已担任了两个组的召集人。要知道,只有综合素质过硬,得到同行一致认可的人才能成为召集人。“从最初的揽小活帮小忙,到现在已有实力与国际同行平起平坐,甚至独当一面,中国团队已经站在了最高的平台上‘看星星’。”高原宁介绍。

作为开拓者,高原宁希望有更多的年轻人接过他们手中的接力棒,在高能物理领域取得更大的成就。于是,在科研之余,培养人才、释疑解惑,就成为了团队的主要工作。

虽然反复讲述的都是最基础的内容,但高原宁每次讲都有新鲜感,总感觉还可以挖掘得更深。由于很多问题没有标准答案,高原宁与学生的交流往往是开放式的。近期,一批博士生前往欧洲核子研究中心学习,高原宁特别珍惜与学生之间每周一次的视频会议,但针对学生的困惑,他却往往点到为止,“我们都是过来人,比起干预,指导他们去自由发挥、尝试创新更重要。”

对于中国未来高能物理领域的发展,清华大学高能物理研究中心的成员们有着这样的期望:中国目前开展粒子物理研究的高校和科研机构还不超过10家,但美国前百强的学校都开展了相关专业。一个人拿简陋望远镜捕捉流星的可能性很小,如果500个人拿着先进的望远镜,机会就大得多。

为了让更多人有更多机会捕捉到科学的“流星”,清华大学高能物理研究中心的团队有这样一个野心:在中国本土建造一个隧道长度是欧洲目前所拥有的对撞机隧道长度5倍的高能环形正负电子对撞机。“这个梦想目前还只在概念设计阶段,实现或许需要10年、20年、30年,但无论怎样,我们会朝那个方向努力,为下一代人铺好道路,也将全世界的高能物理人才吸引到中国来。”高原宁说。

遨游在粒子世界里,他们乐此不疲,“自言其中有至乐,适意无异逍遥游”

在高原宁的记忆里,有这样一件事,一直激励着自己执着前行。2012年,法国科学家获得当年的诺贝尔物理学奖,当年恰巧有几个法国小姑娘来清华大学参观,提及自己国家的科学家获奖,小姑娘十分自豪,在她们心中,科学家们对于人类的贡献值得尊敬。孩子的热忱,让高原宁感动,“被科学的流星照亮要靠机遇,而一直在黑暗中摸索的人,若能获得这样的理解,将是莫大的鼓舞。”

很多人不太能理解他们对高能物理的热爱与专注。每每被问及“做这个有什么用,为什么要去做”,杨振伟并不习惯跟人解释。“圈子不同,生活方式自然不同,但对事业的热爱应该是一样的。”他小声念起苏轼的诗句:“自言其中有至乐,适意无异逍遥游。”

虽然还住在五六十平方米的学校宿舍里,杨振伟觉得也挺好,做科研累了,逛逛校园能让自己心思平静。而且,远离社会的喧嚣,单纯而执着地在粒子世界里遨游,他乐此不疲,“还有什么比朝着目标努力更快乐的事呢?何况,科学探索本就是对未知领域的开拓,多坚持一天,所得就多一点。”杨振伟说。

对于物理的热爱,他们也希望能够让自己的下一代传承。张黎明最爱给两个孩子讲科学家的故事,杨振伟也喜欢给孩子讲自己做实验时的故事。在杨振伟的书架上,至今保留着一本他2004年在旧书摊淘到的中文版《伯克利物理学教程》,那是他的物理启蒙读物。他说,如有可能,会一直留着,留给孩子。

五夸克态之后,是否还有六夸克态?还有哪些新的奇特态粒子等待发现?高原宁很期待答案,“对于科学家来说,很多时候你并不知道将得到什么样的结果。”

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在五夸克态被确定存在后,原以为高原宁——清华大学高能物理研究中心主任、LHCb(大型强子对撞机底夸克实验)中国组的负责人平静的生活会被打破,但他仍是一副笑呵呵,和蔼可亲的样子,时常将印有CERN(“欧洲核子研究中心”)图样的扑克送给同事。多年来,“粒子”“夸克”一直是高原宁人生里的关键词。如今,生活的重心依旧。

高能物理学又称粒子物理学,致力于研究微观世界物质如何构成,万千粒子之间如何互动……粒子的“小世界”里蕴藏着大世界的秩序。

1964年,美国物理学家盖尔曼提出“夸克模型”,认为质子和中子不是基本粒子,而是由3个夸克组成的。盖尔曼也提到,可能存在奇特类型的粒子,比如在介子或重子中加入一对正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。为寻找这些奇特态的粒子,数十年来,科学家付出了巨大的努力。终于,2013年,中国科学家在北京谱仪实验上发现了zc粒子,被学界公认为是四夸克态存在的证据。而如今存在了半个多世纪的五夸克态假设终于被证实,粒子物理界为之振奋。这意味着,人类又发现了物质的新形式。

从发现到证实五夸克态的存在,团队花了大半年时间反复验证,排除了所有可能性才最终确定。而这半年时间,团队中每一个人的日程表,几乎是以分钟为单位来计时。

作为LHCb8个课题组其中之一的召集人,清华大学副教授杨振伟每天需要参加很多视频会议,时间排得满满当当。视频会议常常少则一二十人,多则上百号人,分析数据、讨论问题、交流进展、协调分歧,杨振伟俨然一个“大家长”。北京与欧洲有六七个小时的时差,通常下午开完一个会,接着晚上又有一个,中间他还得挤出时间和家人吃顿晚饭,再匆匆赶回学校。他常常诧异,怎么转眼就到凌晨了?

在视频会议之外,团队还要常常往欧洲跑。清华大学副教授张黎明周五还在清华做实验,两天后已身在欧洲核子研究中心,承担科研组的监测值班任务。

对于“守得云开见月明”,高原宁团队只兴奋了不长时间,“接下来,还有很多该做的,正如十几年来一直做的那样。”高原宁心里已经开始盘算接下来的任务,当初从猜测到证实,试了上百种组合可能性;现在分析五夸克态的组织结构和规律,后续研究将需要更持久的努力,“就如同年复一年看星星,团队突然被五夸克态这颗流星照亮了。但还有比这更大的流星,接下来仍要日复一日地继续。”

中国人担任欧洲核子研究中心8个物理课题组中两个组的召集人,成为“梦之队”的一员

相较于这次成果的取得,更令团队引以为荣的,是能够成为高能物理研究“世界梦之队”的一员。