周寧：破解暗物質(zhì)中的謎團(tuán)

本刊記者　杜月嬌

周寧：破解暗物質(zhì)中的謎團(tuán)

本刊記者杜月嬌

當(dāng)“暗物質(zhì)”頻繁成為大熒幕上的主角，當(dāng)越來越多的普通人為這神秘的概念折服，最新的Planck衛(wèi)星觀測結(jié)果告訴我們，暗物質(zhì)真真切切地存在著，我們的宇宙中約5%的質(zhì)量來自于可見物質(zhì)，而約27%的質(zhì)量來自于暗物質(zhì)，剩下的來自于暗能量。對這大量存在的暗物質(zhì)，我們到底了解多少？“我們推測暗物質(zhì)應(yīng)該是中性、非相對論性的，并且應(yīng)該滿足觀測的殘留密度要求。大型對撞機上能夠模擬宇宙初期的環(huán)境，也就有可能產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子。”周寧近年來的研究重點就在于抽絲剝繭地探尋暗物質(zhì)的真相。

冉冉新秀

一年前，周寧還在美國加州大學(xué)爾灣分校做博士后?！爱?dāng)你看到整個宇宙中的各種復(fù)雜的現(xiàn)象，都可以通過最基本的物理理論描述出來，就會覺得這是很神奇很美妙的事情。”談到從事多年的粒子物理，周寧說。

周寧對粒子物理產(chǎn)生興趣是在大學(xué)期間。1999年，周寧考進(jìn)南京大學(xué)理科強化班。強化班推行通識教育，前兩年，周寧要學(xué)習(xí)天文、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、生物等基礎(chǔ)知識，大三才真正開始定向，繼而學(xué)習(xí)更專業(yè)和深入的知識。“大三時，我上了一門粒子物理課?！痹谶@門課上，周寧發(fā)現(xiàn)整個世界可以分為四種相互作用——強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用；而基本粒子就那二三十種。“看上去特別簡單，但是把整個物理學(xué)都包含進(jìn)去了。當(dāng)然，并不是說這幾種相互作用就可以解決物理學(xué)所有問題，還有大量未知的東西是它們無能為力的。這些未知吸引著我走進(jìn)物理世界?！?/p>

2003年9月，周寧本科畢業(yè)后即赴美國哥倫比亞大學(xué)物理和天文系學(xué)習(xí)，并在隨后的7年中拿到碩士和博士學(xué)位?！傲Ｗ游锢碓谶^去的幾十年里取得了重大的進(jìn)展，并建立了一系列實驗去發(fā)現(xiàn)新的粒子和精確測量，尤其是最近在LHC（大型強子對撞機）上發(fā)現(xiàn)的Higgs（希格斯）粒子, 逐步驗證了標(biāo)準(zhǔn)模型理論。但是宇宙中仍然存在很多重大問題，而標(biāo)準(zhǔn)模型不能給出解釋?！敝軐幰龅木褪峭ㄟ^對新物理模型的搜尋去找到解答這些問題的線索。博士和博士后期間，他參加了兩個大合作組實驗，即“ATLAS實驗和D0實驗”。

ATLAS實驗，是歐洲核子中心大型強子對撞機LHC上的四個大型探測器之一。而D0實驗，是世界上運行能量第二高的質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機Tevatron上的兩大探測器之一，位于美國費米實驗室。用周寧的話說，無論是LHC還是Tevatron，都不是傾一國之力能夠完成的，在美國那些年，他所加入的都是上千人規(guī)模的國際大合作組織?！拔覀兊膶W(xué)習(xí)方式就是把人扔進(jìn)大團(tuán)隊，在那里學(xué)習(xí)如何找到自己感興趣的研究方向、遇到困難懂得找到相關(guān)專家請教、在大團(tuán)隊里怎樣去組建自己的小團(tuán)隊等，關(guān)鍵就是合作?！比缤诖蠼蠛永飳W(xué)習(xí)游泳，難，但依然要堅持。在不斷的學(xué)習(xí)和研究中，周寧逐步確定了暗物質(zhì)尋找這個研究課題。

弱相互作用的重粒子（WIMP）是一個很重要的暗物質(zhì)候選，能夠自然地滿足宇宙中暗物質(zhì)殘留密度要求。然而其性質(zhì)決定了探測器不能直接測量其能量或動量。只能通過WIMP和一些標(biāo)準(zhǔn)模型粒子在對撞機上伴隨產(chǎn)生的過程，此時探測器上會留下缺失橫向能量的信號，引導(dǎo)出一系列Mono-X反應(yīng)道。周寧參與和領(lǐng)導(dǎo)了ATLAS上首次暗物質(zhì)尋找，包括Mono-jet，Mono-photon和Mono-W。在這些尋找中，他將對撞機對WIMP模型的限制轉(zhuǎn)化為另外兩種模式——暗物質(zhì)直接探測實驗中暗物質(zhì)和核子散射截面的限制，暗物質(zhì)間接探測實驗中暗物質(zhì)湮滅的限制，從而將暗物質(zhì)的3個尋找方向——對撞機尋找、直接探測和間接探測有機結(jié)合在一起。在Mono-W反應(yīng)道上，周寧負(fù)責(zé)Mono-W和Mono-Z的強衰變道分析，其中的難點之一在于如何重建強衰變的W和Z玻色子。他采用了一個大半徑的噴注去解決這一問題，成為ATLAS中首個應(yīng)用噴注內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的分析之一。除了暗物質(zhì)，他還首次將這個尋找結(jié)果轉(zhuǎn)化成希格斯子不可見衰變的限制。因為在暗物質(zhì)方面的貢獻(xiàn)，周寧擔(dān)任了一屆ATLAS暗物質(zhì)和噴注相關(guān)新物理組的召集人，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)十幾個分析工作，并為LHC再次運行的數(shù)據(jù)分析組建研究團(tuán)隊。

不論如何，能夠在ATLAS上開創(chuàng)一系列的暗物質(zhì)尋找，對于“80后”周寧來說，已經(jīng)是一個不小的成績。在這兩項代表性工作之外，周寧在雙電子雙光子共振態(tài)和ATLAS電磁量能器研究上也有不俗的表現(xiàn)。因為在費米實驗室的Tevatron對撞機的D0探測器中尋找Randall－Sundrum理論預(yù)言的重引力子，周寧成為該方向的召集人，而早在2007年，他就被授予45期粒子物理國際學(xué)校新秀獎。

務(wù)實地追求未來

“暗物質(zhì)不發(fā)光，也沒有電磁波輻射，我們是靠引力相互作用發(fā)現(xiàn)它存在的。”周寧說。與粒子物理完美描述對撞機實驗所展現(xiàn)的物理現(xiàn)象不同，暗物質(zhì)是在宇宙早期高溫高密度的極端條件下產(chǎn)生的，由于今天的對撞機能量還不能達(dá)到這樣的條件，實驗室還沒辦法找到暗物質(zhì)粒子。雖然在國外時，周寧對3種形式的暗物質(zhì)探測均有涉獵，但他還是希望回國后側(cè)重點放在對撞機尋找和直接探測上。

“國內(nèi)近年來對暗物質(zhì)研究特別重視，在項目支持上也更多?！闭劦交貒鴷r，周寧的答案無比實在?！笆嗄陙恚议L期在ATLAS實驗上做工作，對其中的情形比較熟悉，也建立了比較多的合作聯(lián)系。清華大學(xué)天體物理中心也在直接探測上有發(fā)展意向，我就選擇到清華任職?！?014年，他入選青年“千人”計劃；2015年6月，正式到崗。對他來說，這既是從頭開始，也是站在曾經(jīng)的基礎(chǔ)上去尋找更高的目標(biāo)。

2015年夏天，L H C在升級后再次開始運行，對撞能量達(dá)到了13T e v，并將持續(xù)運行至2018年中，計劃采集100fb-1的數(shù)據(jù)。在周寧看來，這使得暗物質(zhì)的搜尋范圍進(jìn)一步擴大，而這個從未探索過的能量區(qū)域講給他們帶來一個發(fā)現(xiàn)新物理的新契機。“質(zhì)子質(zhì)子對撞產(chǎn)生出大量強子，其在ATLAS探測器中形成噴注（jet）。其中由B強子形成的b-jet是許多物理分析中重要的組成部分，例如希格斯子和頂夸克等標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的精確測量以及包括暗物質(zhì)在內(nèi)的眾多新物理尋找。無論從哪一方面，我們都需要深刻理解ATLAS探測器上采集到的數(shù)據(jù)和進(jìn)一步提高粒子的鑒別和標(biāo)識?！痹缭诨貒埃軐幘驮诳紤]這個問題了。

作為曾經(jīng)的A T L A S奇異物理組b-tagging聯(lián)絡(luò)人，周寧負(fù)責(zé)過奇異物理組與b-tagging組在高動量區(qū)域的協(xié)作，對該領(lǐng)域的發(fā)展有著深刻的認(rèn)識，并在2015年初向ATLAS b-tagging研究組提出了物理需求，推動了b-tagging組逐步開展了高動量區(qū)域性能的優(yōu)化，研究引起了A T L A S合作組的廣泛重視?！拔覝?zhǔn)備通過ATLAS實驗繼續(xù)和暗物質(zhì)以及新物理尋找相關(guān)的研究，開展b-tagging研究，也是為了尋找暗物質(zhì)在對撞機上的產(chǎn)生機制Z’新粒子?！敝軐幰蚕Ｍ軌蚪璐藶樽约荷性诮ㄔO(shè)中的團(tuán)隊打下基礎(chǔ)。

“最重要的品質(zhì)是誠實”

如果非要問周寧過去科研生涯中最深刻的事，他的答案一定是合作。“我們之前做實驗，需要從浩如煙海的數(shù)據(jù)量里找出我們需要的信號，這還不算完，關(guān)鍵還要理解其背景有多少，這才是最難的?！碑?dāng)然了，在周寧眼里，難的并非是分析本身。這就要從ATLAS的合作機制說起了。

ATLAS的實驗，全世界獨此一家，因此合作組特別依賴于內(nèi)部審核，也就是說一個幾個月可以拿出來的分析結(jié)果要先上交暗物質(zhì)組初審，再遞交奇異物理組，再遞交大合作組。要一個結(jié)果得到數(shù)千人認(rèn)可，實在是一個漫長的過程，“一年”已經(jīng)是正常的實驗分析周期了?！白铍y忘的就是得到合作組認(rèn)可的那一刻?！敝軐幐锌耙粋€需要大合作的工作，最重要的品質(zhì)就是誠實。不管結(jié)果多差，只有坦誠地說清楚，不掩蓋問題，才能使研究順利進(jìn)行，才能讓自己更快地進(jìn)步。”

回國不到一年，周寧已經(jīng)感受到身上的擔(dān)子。“不再像博士后時期只要做好研究就行，現(xiàn)在要招收學(xué)生、要申請項目、家里孩子也還小……很多事情要忙，都很重要，都要做好。”

然而忙碌的周寧精氣神卻很足，2016年，他招收的兩位研究生也要到他身邊了，他已經(jīng)計劃好以后會積極派遣學(xué)生們赴歐洲核子中心參加合作，和國內(nèi)外專家做好合作，推動暗物質(zhì)和新物理尋找工作向前發(fā)展，并迅速帶動清華大學(xué)高能物理團(tuán)隊在ATLAS奇異物理組和b-tagging組占有一席之地。他將為這個目標(biāo)而努力。