用創造力超越我們眼見的世界
——記上海交通大學物理與天文系特別研究員王偉

本刊記者 杜月嬌

用創造力超越我們眼見的世界
——記上海交通大學物理與天文系特別研究員王偉

本刊記者 杜月嬌

王偉，上海交通大學物理與天文系特別研究員、博士生導師。從事重味物理和CP破壞（宇稱和電荷共軛變換）并拓展到強子物理及大型強子對撞機上量子場論計算等方面的研究。2004年本科畢業于山東大學物理學院, 2009年于中國科學院高能物理研究所獲得博士學位。2009年至2010年在意大利核物理研究院巴里分部(INFN)做博士后特別研究員,隨后在德國電子同步加速器研究所(DESY)做洪堡學者。2012年10月開始在波恩大學核物理與輻射研究所從事博士后研究工作。

在Physical Review Letters, Physical Review D, Physics Letters B, Journal of High Energy Physics, European Physics Journal A/C等本領域國際、國內權威學術期刊上共發表SCI論文50多篇，被引用1000多次。其中兩篇文章發表在頂級刊物Physical Revi Letters，一篇為獨立作者文章，另一篇為通訊作者之一。2007年，發表文章被評為“2008年中國百篇最具影響國際學術論文”。作為審稿人，受到European Physics Journal C雜志的嘉獎，2013年被評為歐洲物理雜志杰出審稿。作為評審專家，被土耳其科學和技術研究委員會邀請評審2012年度青年科學家獎項。

天地玄黃，宇宙洪荒，日月盈昃，辰宿列張。這是一個超越了我們眼見的世界，人類從誕生之日起就對它充滿了好奇，人們相信，對它了解得越多，就會越接近宇宙起源的秘密，這就是粒子物理學。

在粒子物理學的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數據記錄和處理以及計算技術的應用與不斷發展，既帶來了粒子物理本身的進展，也促進了人類整個科學技術的發展。從科學發展趨勢來看，粒子物理學的研究仍將會是一個十分活躍的領域。

目前，粒子物理可以由一個被稱為標準模型的理論所描述。在這個框架中，基本粒子由自旋為1/2的6種夸克和6種輕子以及傳遞相互作用的中間玻色子組成，最后一個基本碎片則是不久前才被發現的希格斯玻色子。用以區分6種夸克的是一種被稱為味道的量子數，其中一種夸克的質量較重，且又可以形成穩定的強子束縛態，這就是底夸克(b),形成的介子態被命名為B介子，與之相關的物理則稱為B物理。當前，在B介子實驗中檢驗標準模型和尋找新物理存在的信號與證據已成為粒子物理研究中的重要組成部分，B物理也成為粒子物理學家十分關注的領域。

在2015年6月4日英國《自然》雜志出版的一篇粒子物理學報告稱，科學家在歐洲核子研究中心（CERN）地下的大型強子對撞機（LHC）中，檢測到了中性B介子粒子極為罕見的一種衰變模式。自標準模型預測這種衰變，物理學家已尋找該衰變過程的證據超過了30年，此次新的觀測結果證實了標準模型做出的預測，亦對可能的新物理進行了嚴格的限定。科學家希望，在LHC和即將運行的超級B工廠上進行的新實驗可以準確探究這種衰變的特性。

B介子衰變的研究是上海交通大學物理與天文系特別研究員王偉的主要工作之一，他長期從事重味物理和CP破壞(宇稱和電荷共軛變換)方面的研究,同時也拓展到強子物理及大型強子對撞機上量子場論計算等方面。2015年，他作為項目負責人申請了國家自然科學基金項目“大加速器時代B介子衰變的精確計算”，這一項目將有助于進一步提升我國在國際重味物理研究中的影響力，為獲得決定性的成果奠定更為堅實的基礎。

瞄準B物理研究中的關鍵問題

目前,粒子物理的研究已進入大型強子對撞機(LHC)時代。我國則在進一步且高瞻遠矚地考慮LHC完結之后的未來對撞機走向，討論興建包括環形正負電子對撞機、Z工廠、tau-charm工廠，甚至能量高達100TeV的質子對撞機。這些對撞機的成功興建和運行可以大大提升我國的科學研究水平，并可能造成世界高能物理研究中心的轉移。

B介子衰變是測量夸克混合矩陣元(CKM)，檢驗粒子物理標準模型，理解因子化定理，尋找電荷共軛—宇稱聯合變換(CP)對稱性破壞機制的理想場所。在2012年ATLAS和CMS實驗組發現希格斯粒子之后，粒子物理研究的一個重點便是尋找超出標準模型的新粒子。兩個互補的研究方向是在高能量前沿直接尋找和在高精度前沿間接探測。在標準模型中，B介子衰變特別稀有，因此它對新物理特別敏感，人們可以通過B物理中的高精度實驗來探測新物理效應，達到尋找新粒子或限定其參數空間的目的。

1999～2011年，位于美國和日本的兩個B介子工廠獲得了巨大的成功，兩個實驗組BaBar和Belle收集到了約2000兆B介子事例，精確測量了B介子系統中的CP破壞，這為兩位日本物理學家Kobayashi和Maskawa獲得2008年度諾貝爾物理學獎提供了實驗支持；它們還測量了上百個衰變道的物理觀測量。2008年，坐落于歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)正式運行，B物理研究正是其中的重要組成部分：LHCb實驗組專門從事B物理實驗研究，現已取得了豐碩的實驗成果，另外ATLAS和CMS亦收集了大量b夸克的實驗數據。未來的Super-KEKB實驗擬把亮度提高100倍，提升為超級B工廠Belle-II，預期將于2016年投入運行，繼續從事B物理研究工作。目前，我國正在自主籌劃下一代對撞機：環形正負電子對撞機和超級Z工廠，屆時將會產生大量且干凈的b夸克事例。在這些物理實驗的強勁支持下，B物理在未來一段時間內仍將會是一個重要的熱點方向。

理論上精確預言B介子衰變所遇到的最大問題是計算涉及強相互作用的衰變矩陣元，目前缺乏從第一原理性出發的處理方法，這給檢驗標準模型和探測新物理效應帶來了不可避免的困難。強子過程必定牽涉非微擾的量子色動力學(QCD)機制，無論是用于檢驗粒子物理的標準模型，或探索標準模型之上的新物理，都必須針對其中蘊含的非微擾機制，先進行精細的探討與處理。微擾量子色動力學的主要想法是將對撞過程中的非微擾機制，透過嚴謹的量子場論程序，抽離并納入強子分布函數；理論的重點在證明分布函數具普適性(universality)，可以采用非微擾方法分析。同時計算B介子衰變也還是一個多標度問題，利用算符乘積展開和重整化群的方法，可以將高于b夸克質量能標的物理吸收到短程系數中。針對不同物理體系，人們已提出了一些唯象模型，并創立并發展了一批因子化方案。在這些理論框架內，降低理論計算誤差和提高理論計算精度的理論進展具有非常重要的學術價值。

“大加速器時代B介子衰變的精確計算”項目將在現有工作基礎上，瞄準B物理研究中的一些關鍵問題，包括計算微擾論高圈圖貢獻，限定非微擾輸入參數，尋找新的研究過程，限定新物理模型參數等方面，力爭取得一些實質性的突破。

創新突破科研瓶頸

國際上LHCb實驗已發表了關于B物理的豐碩結果，數年后位于日本KEK超級B工廠Belle-II也將開始運行，B物理已邁入高精確度紀元。而在理論上雖已探索二十余年，重味物理中仍存在許多未解的難題或機制，理論架構并不完備，缺少次要貢獻及B介子多體衰變的分析方法，欲從重味衰變過程中發掘新物理的蹤跡，理論預言和實驗數據的精確度都必須進一步提升。

低能標下強作用耦合常數很大，經典微擾理論不再適用。B介子衰變中，初末態強子化所帶來的不確定性使得人們幾乎沒有辦法模型無關地去計算，給抽取CP破壞參數和限定新物理模型帶來了嚴重的困難，形成B物理研究中的一個主要“瓶頸”。長期從事重味物理和CP破壞(宇稱和電荷共軛變換)的王偉希望可以通過自己的經驗積累找到“瓶頸”的突破口。

王偉主持的“大加速器時代B介子衰變的精確計算”項目的出發點是盡量精確的計算強子矩陣元，減少其中的不確定性。該項目將建立類似于對撞機物理的數據庫，填補微擾QCD方法下兩體B介子非輕衰變系統研究的空白，簡化理論計算的復雜度。將所有強子的分布振幅以Gegenbauer多項式參數化，b夸克衰變振幅樹圖、企鵝圖及費曼圖分類，利用現有的數據擬合所有的Gegenbauer參數，建立B介子衰變的數據庫后，藉由衰變道選擇相關b夸克衰變振幅的自動化機制，實驗學家只需輸入欲測量的衰變道，即可估計對應的物理量，有助于數據的分析。初期的精確只達到領頭階，日后將隨PQCD理論的進展，逐步改進數據庫的精確度，精確度提升之后，配合LHCb和Belle II的豐富數據，即有可能辨識B介子衰變中的新物理訊號。

在“大加速器時代B介子衰變的精確計算”項目之前王偉及其團隊已經有了一定的經驗積累。

2009年王偉于中國科學院高能物理研究所獲得博士學位，博士論文題目是《兩體B介子衰變和P波粒子在B衰變中的產生》。目前已在本領域國內外學術期刊上共發表SCI論文60多篇,被引用1300多次。其中兩篇文章發表在《物理評論快報》,一篇為少見的獨立作者文章,另一篇為通訊作者之一。多次應邀在國際會議上報告成果進展，受到國際學術期刊雜志IJMPA邀請撰寫綜述性文章。2013年被評選為歐洲物理雜志的首屆杰出審稿人。

王偉的研究團隊長期與國內外同行處于同一起跑線上，在微擾QCD方法，軟共線有效理論的應用，非相對論量子色動力學和光錐求和規則等方面有較多的貢獻。實際上重味物理是國內高能物理界的傳統強項，無論在理論或實驗方面皆有充沛的研究人力，也獲致具有國際影響力的學術成果。目前已經形成了一支整體實力強，具有一定國際影響力的研究隊伍。

“大加速器時代B介子衰變的精確計算”項目的主要研究內容為兩體B介子非輕衰變的系統研究；三體B介子非輕和四體B介子半輕衰變；重味稀有衰變中的新物理貢獻；Bc純輕輻射衰變過程的研究，除此之外，王偉的科研團隊還將繼續追蹤最新的實驗進展，對感興趣且重要的實驗結果給出唯象分析和解釋，并做出一些可以做判據性的預言。

“大加速器時代B介子衰變的精確計算”項目的特色是緊密結合LHCb、超級B介子工廠等高能物理實驗，根據實驗研究和理論發展的需要，選擇重味物理研究中亟待解決的幾個關鍵問題，做深入、系統的研究，提高理論計算精度，獲得有重要學術價值的成果。項目組將在標準模型理論框架下，發展非微擾量子色動力學的新方法，提高強子矩陣元計算的準確度；在新物理模型框架下，重點研究B介子的混合與衰變過程的新物理修正，為通過高精度的B物理實驗發現新物理存在的信號或者證據提供理論依據。該項目的順利實施，將促進理論學家和實驗學家在這個領域的合作，提升我國科研人員在B物理和微擾量子色動力學領域的影響力，也有助于實現上海交通大學建設一個國內領先世界一流的粒子物理理論研究中心之長遠目標。

1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼在其與和泰雷西合著的《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》的結尾曾充分流露出了物理學家們對粒子物理終極前景的渴望，他這樣寫道：“天空中出現了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調彌撒曲莊嚴、高潮的和弦配樂下，也可能是在斯特拉·溫斯基的短笛獨奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地變成了上帝的臉，微笑著，但帶著極度甜蜜的悲傷表情。”我們希望王偉等物理學家的研究結果終有一日可以拂去上帝臉上那淡淡的悲傷。