探尋高能物理的神秘世界——記北京大學(xué)理論物理研究所研究員楊李林

本刊記者 姜曉宏

2013年10月8日，憑借50年前對(duì)于希格斯粒子的預(yù)言，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯兩位理論物理學(xué)家獲得了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一獎(jiǎng)項(xiàng)的依據(jù)，是2012年7月4日歐洲核子研究組織所宣布的，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上作出的重大發(fā)現(xiàn)，即希格斯粒子的存在。這一發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著高能物理又一個(gè)黃金時(shí)代的到來(lái)。

高能物理世界的神秘與美好，令無(wú)數(shù)中外科學(xué)家為之癡迷。如果從少年時(shí)期萌發(fā)的對(duì)物理學(xué)朦朧的“初戀”算起，“國(guó)家青年千人計(jì)劃”入選者，北京大學(xué)物理學(xué)院的楊李林已經(jīng)在這條高深莫測(cè)、沒(méi)有盡頭的探索之路上，堅(jiān)定前行了十余年。這位80后的研究員，正逐漸開(kāi)始在當(dāng)今理論物理研究領(lǐng)域的前沿嶄露頭角。

開(kāi)啟高能物理的征程

自1998年走進(jìn)北京大學(xué)物理學(xué)院那天起，楊李林的人生與高能物理正式結(jié)緣。

高能物理不但研究構(gòu)成物質(zhì)世界的基本元素、物質(zhì)間的相互作用規(guī)律、宇宙的起源與演化等“終極”科學(xué)謎題，它在精密機(jī)械、高真空、超導(dǎo)、快電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，更讓這個(gè)學(xué)科在近幾十年內(nèi)迅速成為科學(xué)家必爭(zhēng)之地，甚至在一定程度上“反映了國(guó)家科技的總體實(shí)力和地位”。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從1901年諾貝爾獎(jiǎng)?wù)Q生之日起，100多位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主中，就有40多人的研究與高能物理有關(guān)。

從事高能粒子物理的科研工作，所必須的前期準(zhǔn)備相當(dāng)漫長(zhǎng)，需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程非常之多。借助于北京大學(xué)開(kāi)放的課程設(shè)置，楊李林在本科階段就能夠選修各種高階的研究生課程。在這個(gè)過(guò)程中，楊李林欣喜地體驗(yàn)到，之前在科普讀物中接觸到的各種神奇的現(xiàn)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)深刻的原理和精妙的公式。特別令楊李林感興趣的是量子規(guī)范場(chǎng)論這門(mén)課程。量子規(guī)范場(chǎng)論是當(dāng)今粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，它有著優(yōu)美的對(duì)稱性和簡(jiǎn)潔的定義，同時(shí)又有著豐富的數(shù)學(xué)和物理內(nèi)涵，讓楊李林沉醉不已。

這些課程的學(xué)習(xí)，使得楊李林對(duì)于物理世界朦朧的好奇心更加具體化。好奇心是開(kāi)啟科學(xué)研究旅程的一把鑰匙，楊李林手持這把鑰匙，開(kāi)啟了高能物理世界的一扇扇奧秘之門(mén)。

量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中用來(lái)描述強(qiáng)相互作用的一種量子規(guī)范場(chǎng)論。它對(duì)于高能強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)物理的研究至關(guān)重要。楊李林在北京大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，就在QCD方面接受了系統(tǒng)的訓(xùn)練，并將其作為他研究工作的一個(gè)重要內(nèi)容。2007年博士畢業(yè)后，楊李林來(lái)到德國(guó)的美因茨大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。在這里，他開(kāi)始與合作者一起，對(duì)QCD中的很多重要問(wèn)題展開(kāi)深入的研究。

2008年是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）開(kāi)始運(yùn)行前的最后一年，人們對(duì)于這一具備前所未有的超高能量的對(duì)撞機(jī)充滿期待，設(shè)想著在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子和各種新奇的物理現(xiàn)象。LHC是一個(gè)讓高能質(zhì)子之間相互碰撞的實(shí)驗(yàn)儀器。在LHC上，希格斯粒子的主要來(lái)源是由質(zhì)子中的膠子組分通過(guò)量子效應(yīng)而產(chǎn)生的，即所謂的膠子融合過(guò)程。而膠子正是QCD理論中強(qiáng)相互作用力的攜帶者，它們之間具有非常復(fù)雜的非線性自相互作用。正因?yàn)槿绱耍@一碰撞過(guò)程受到很強(qiáng)的QCD量子效應(yīng)的影響，很難做出非常精確的理論預(yù)言。楊李林和他的合作者當(dāng)時(shí)正在考察改進(jìn)對(duì)這一過(guò)程計(jì)算精度的可能性。他們?cè)谝淮斡懻撝型蝗幌氲剑幸活惙浅Ｖ匾牧孔有?yīng)實(shí)際上具有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的來(lái)源。他們進(jìn)而提出了一種新的方法，可以非常精確地計(jì)算這一類量子效應(yīng)。以此為基礎(chǔ)，他們得到了當(dāng)時(shí)世界上對(duì)于這一過(guò)程最為精確的理論預(yù)言。

完成對(duì)希格斯粒子產(chǎn)生過(guò)程的研究之后，楊李林的目光立即被另一個(gè)非常有趣的問(wèn)題所吸引。這就是QCD以及更為一般的量子規(guī)范場(chǎng)論中的紅外發(fā)散問(wèn)題。QCD或者說(shuō)強(qiáng)相互作用的一個(gè)重要特性是所謂的漸進(jìn)自由，即表征相互作用強(qiáng)度的耦合常數(shù)在能量很高的時(shí)候比較小，而在能量很低的時(shí)候則會(huì)變得非常大。發(fā)現(xiàn)這一特性的三位物理學(xué)家于2004年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。紅外發(fā)散就是由能量非常低的膠子所產(chǎn)生的。當(dāng)計(jì)算中出現(xiàn)紅外發(fā)散時(shí)，往往意味著所采用的微擾計(jì)算方法并不完全適用。此時(shí)就需要重新審視是否有其它的因素來(lái)消除這種紅外發(fā)散，或者把不能計(jì)算的部分剝離開(kāi)來(lái)單獨(dú)進(jìn)行考慮。由此可見(jiàn)，對(duì)于紅外發(fā)散的理解，具有很重要的理論和實(shí)際意義。

當(dāng)時(shí)正是2009年，LHC即將開(kāi)始運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)于高精度的QCD計(jì)算的需求空前旺盛。在這樣的大背景下，國(guó)際理論物理學(xué)界對(duì)于QCD中的散射振幅及其紅外發(fā)散的研究也進(jìn)展神速。特別是對(duì)于零質(zhì)量的粒子參與的散射過(guò)程，其紅外發(fā)散的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一個(gè)比較清楚的圖像。然而，一旦引入粒子的質(zhì)量，事情就變得復(fù)雜起來(lái)，長(zhǎng)期以來(lái)人們只有一些相對(duì)粗糙的了解。2009年初，QCD理論的權(quán)威George Sterman教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探索，試圖得到更為準(zhǔn)確的圖像。然而，他們遇到了一個(gè)非常復(fù)雜的積分，沒(méi)有辦法計(jì)算出來(lái)，最終只能以部分進(jìn)展的形式發(fā)表了他們的結(jié)果。

得知這個(gè)情況后，楊李林很感興趣，他與合作者很快一起投入力量，決心攻克這個(gè)難題。事情并不那么順利，兩個(gè)月的時(shí)間過(guò)去得很快，他們雖然了解了這個(gè)積分的很多性質(zhì)，但還是沒(méi)有找到計(jì)算的方法。這段時(shí)間，楊李林的腦海幾乎都被這個(gè)問(wèn)題給占據(jù)了。無(wú)論是吃飯時(shí)還是睡覺(jué)前，楊李林都要思考無(wú)數(shù)遍他們已經(jīng)獲得的信息和可能的突破口。這樣的努力終于有了回報(bào)，一天早上起床后，楊李林腦子里突然靈光一現(xiàn)，他把已有的信息“拼裝”起來(lái)，居然“猜”出了一個(gè)可能的答案。他非常興奮，立刻趕到辦公室將這個(gè)猜測(cè)告知了另外兩位合作者。他們一起對(duì)這個(gè)答案進(jìn)行了各種檢驗(yàn)，幾乎肯定它就是正確的結(jié)果。

雖然“猜”出了答案，楊李林并不滿足。對(duì)他來(lái)說(shuō)，還欠缺一個(gè)嚴(yán)格的證明，這讓他寢食難安。整整兩天時(shí)間，他的心思都花在尋找這個(gè)證明上面。第二天傍晚，他像往常一樣坐上回家的公交車。在車上，他突然產(chǎn)生了一個(gè)新的想法，馬上拿出筆記本電腦開(kāi)始在上面計(jì)算起來(lái)。回到家時(shí)，他已經(jīng)編寫(xiě)完成了用于計(jì)算的程序。他插上電源，一邊讓電腦開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，一邊照常去準(zhǔn)備晚餐。經(jīng)歷了這么長(zhǎng)時(shí)間多次的失敗，此刻他的心情是忐忑不安的。因此，當(dāng)他準(zhǔn)備完晚餐回到電腦旁邊，發(fā)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)了他想要的結(jié)果時(shí)，他幾乎不敢相信自己的眼睛。他做了好幾次檢查確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤之后，把這個(gè)好消息通知了他的合作者。他們立刻著手把結(jié)果寫(xiě)成論文，并最終發(fā)表在理論物理學(xué)的頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Phy sical Review Letters）上。

有了關(guān)于紅外發(fā)散的理解，楊李林敏銳地覺(jué)察到，這些結(jié)果可以很好地改進(jìn)關(guān)于對(duì)撞機(jī)上頂夸克產(chǎn)生過(guò)程的研究。他立即向合作者建議進(jìn)入這一領(lǐng)域。他的判斷沒(méi)有錯(cuò)。他們?cè)陧斂淇祟I(lǐng)域的一系列工作成為T(mén)evatron和LHC對(duì)撞機(jī)上各大實(shí)驗(yàn)組在測(cè)量頂夸克對(duì)產(chǎn)生時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)理論參考文獻(xiàn)。基于他們的研究，Tevatron上的D0實(shí)驗(yàn)組在歷史上首次直接測(cè)量到頂夸克在改進(jìn)的最小減除方案下的質(zhì)量。他們的工作還被粒子數(shù)據(jù)工作組（PDG）于2012年發(fā)布的新版《粒子物理評(píng)論》（Review of Particle Physics）收錄。《粒子物理評(píng)論》是粒子物理學(xué)的權(quán)威指南，包括了粒子物理各個(gè)領(lǐng)域最重要的進(jìn)展。

這些研究成果奠定了楊李林科研之路堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，此后，他來(lái)到瑞士的蘇黎世大學(xué)，繼續(xù)深化和拓展他的研究領(lǐng)域。這位年輕的研究員，逐漸開(kāi)始在國(guó)際理論物理學(xué)界嶄露頭角。

興趣是科研的原動(dòng)力

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家布萊恩·科比爾卡曾說(shuō)過(guò)，真正的科研離不開(kāi)堅(jiān)持和興趣。因?yàn)槌晒膩?lái)不是一件容易的事，只有經(jīng)歷無(wú)數(shù)失敗后，才能最終迎來(lái)成功。在不斷嘗試的過(guò)程中，如果沒(méi)有興趣的驅(qū)動(dòng)，很難堅(jiān)持到最后。

出生于湖北的楊李林自幼就表現(xiàn)出對(duì)于自然科學(xué)的喜愛(ài)。楊李林回憶道，他從小就熱衷于思考各種自然現(xiàn)象背后的規(guī)律，也喜愛(ài)閱讀各類科普書(shū)籍。初中畢業(yè)時(shí)，理科成績(jī)一向優(yōu)異的他被全國(guó)理科實(shí)驗(yàn)班錄取。當(dāng)時(shí)那個(gè)實(shí)驗(yàn)班每年會(huì)在全國(guó)擇優(yōu)招收一百名學(xué)生，分成四個(gè)班，其中三個(gè)在北京，一個(gè)在上海。15歲的楊李林面臨著一個(gè)艱難的抉擇。選擇進(jìn)入理科實(shí)驗(yàn)班，意味著要遠(yuǎn)離家人和故鄉(xiāng)，這對(duì)于小小的他來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的壓力。

在父母的支持下，楊李林決定還是跟隨自己的興趣，來(lái)到了上海華東師范大學(xué)二附中，進(jìn)入全國(guó)理科實(shí)驗(yàn)班，并在這里度過(guò)了快樂(lè)的三年。由于沒(méi)有高考的壓力，楊李林可以完全憑興趣自由地選擇修習(xí)的課程。他只花了一年時(shí)間便把高中的大部分課程自學(xué)完了。此后，借助華東師范大學(xué)的圖書(shū)館資源，他自學(xué)了許多大學(xué)的基礎(chǔ)課程，閱讀了包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的大量書(shū)籍。出于對(duì)物理學(xué)的興趣，他還經(jīng)常去上海復(fù)旦大學(xué)物理系旁聽(tīng)。這種開(kāi)放式的學(xué)習(xí)模式讓楊李林有了自由學(xué)習(xí)和接觸各類專業(yè)課程的機(jī)會(huì)，大大開(kāi)闊了他的視野，也無(wú)形中讓他習(xí)得了科研的執(zhí)著和堅(jiān)毅。他后來(lái)對(duì)高能物理的熱情即從此時(shí)開(kāi)始逐漸萌芽。

1998年，楊李林進(jìn)入北京大學(xué)物理系。在這里，未名湖的如畫(huà)風(fēng)光與物理世界的奇妙深?yuàn)W都深深吸引著他。對(duì)物理研究的興趣與熱情讓楊李林的天賦發(fā)揮到極致，專業(yè)課成績(jī)始終名列前茅。通過(guò)這些課程，他得以全面地了解物理科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和研究現(xiàn)狀，并最終確定高能物理作為他探索的目標(biāo)。2002年，楊李林選擇留在本校理論物理研究所攻讀博士。2007年博士畢業(yè)時(shí)，他再次面臨人生的多重選擇，經(jīng)過(guò)艱難的思想斗爭(zhēng)與全面考慮，楊李林決定出國(guó)繼續(xù)從事科研工作。

不登高山，不知天之高也；不臨深谷，不知地之厚也。楊李林深知，只有站在世界范圍的坐標(biāo)體系中，才能看清自己的位置；只有立足于國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，才能真正提高自己的學(xué)術(shù)水平。2007年到2012年的五年間，楊李林先后在德國(guó)美因茨大學(xué)和瑞士蘇黎世大學(xué)做博士后研究。這五年讓他收獲頗豐。此時(shí)的他已羽翼豐滿，只待飛翔，在歐洲打下的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，為他積蓄了足夠的科研實(shí)力回國(guó)發(fā)展。

探索無(wú)盡的未知

2012年10月，楊李林接受北京大學(xué)物理學(xué)院的聘請(qǐng)，成為該校理論物理研究所的百人計(jì)劃研究員。次年，他申請(qǐng)了中組部的青年千人計(jì)劃項(xiàng)目，并于2014年獲得通過(guò)。

也正是在2012年到2013年期間，LHC上的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)組宣布了希格斯粒子這個(gè)振奮人心的發(fā)現(xiàn)。此時(shí)國(guó)內(nèi)外的物理學(xué)家紛紛把工作的重心轉(zhuǎn)向?qū)τ谙８袼沽Ｗ有再|(zhì)的研究。特別是為了確定這個(gè)新粒子的性質(zhì)是否與標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯粒子完全吻合，還需要理論上和實(shí)驗(yàn)上的更多進(jìn)展。

在北京大學(xué)這個(gè)對(duì)于楊李林來(lái)說(shuō)既熟悉又陌生的地方，他很快適應(yīng)了新環(huán)境，全身心地投入到研究工作中。與國(guó)內(nèi)外的合作者一道，他繼續(xù)在QCD、希格斯物理、頂夸克物理等方面發(fā)揮著自己的能量，做出了許多有國(guó)際影響力的工作。

對(duì)于未來(lái)，楊李林表示，雖然我們發(fā)現(xiàn)了期待已久的“上帝粒子”，但對(duì)于其性質(zhì)還并不完全清楚，需要進(jìn)一步去探索。此外，天文上對(duì)于暗物質(zhì)的觀測(cè)、中微子振蕩等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都對(duì)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)，而標(biāo)準(zhǔn)模型的理論本身也給出一些跡象表明它在更高的能量上可能并不完備。這些疑問(wèn)，有可能可以在LHC上找到答案。2015年，LHC將在更高的能量上重新開(kāi)始運(yùn)行，與LHC物理相關(guān)的研究，特別是結(jié)合QCD理論和唯象學(xué)的研究，必然會(huì)越來(lái)越受到國(guó)際上的重視。在中國(guó)，LHC物理的研究正在逐漸形成一個(gè)由全國(guó)范圍內(nèi)很多學(xué)術(shù)單位所構(gòu)成的一個(gè)研究群體。楊李林希望能以北京大學(xué)為依托，投入到這個(gè)群體中去，盡可能地貢獻(xiàn)自己的力量。

不過(guò)，楊李林同時(shí)表示，對(duì)于理論物理尤其是高能物理來(lái)說(shuō)，研究的道路可能會(huì)比較漫長(zhǎng)。雖然在LHC上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但對(duì)于下一個(gè)新發(fā)現(xiàn)在什么時(shí)候產(chǎn)生，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)測(cè)，因此科研人員要特別耐得住寂寞。LHC還要再繼續(xù)運(yùn)行十多年，而人們已經(jīng)在考慮未來(lái)建造更大規(guī)模的對(duì)撞機(jī)的可能性，這對(duì)于探索物理世界更為基本的規(guī)律是必須的。如果這樣的對(duì)撞機(jī)能夠建造在中國(guó)，勢(shì)必將極大地帶動(dòng)中國(guó)的高能物理研究，使中國(guó)真正成為高能物理的世界中心。

探索的道路沒(méi)有盡頭，楊李林用自己的每一分每一秒，正一步步走在高能物理世界的探秘之路上。