心藏粒子物理 探秘神奇世界
——記中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員梁志均

□ 武光磊

1897年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆森發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)基本粒子電子，自此，與粒子物理有關(guān)的一切從這里開始……

隨著科研人員對(duì)粒子物理的深入研究，早在20世紀(jì)60年代初，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的基本粒子數(shù)量就已達(dá)到近百種。顯然，隨著加速器能量的提高，還會(huì)有大量的新粒子將被發(fā)現(xiàn)。在基本粒子的研究初期，人們?cè)南Ｍ诨玖Ｗ訒?huì)為物質(zhì)世界描繪出一幅簡(jiǎn)潔明了的圖象，但沒想到，基本粒子的種類竟如此之多，物質(zhì)世界的奧秘也竟如此復(fù)雜。于是，科研人員開始向粒子物理的深層次探索更多的秘密，近年來，粒子加速器、探測(cè)手段、數(shù)據(jù)記錄以及計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，在帶來粒子物理本身進(jìn)展的同時(shí)，也促進(jìn)了整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，取得的一系列豐碩成果也已經(jīng)在宇宙演化的研究中發(fā)揮重要作用。

在進(jìn)行粒子物理實(shí)驗(yàn)的過程中，探測(cè)器是其中的“重頭戲”，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員梁志均自2006年起就參與了歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)中的ATLAS實(shí)驗(yàn)，而ATLAS作為L(zhǎng)HC中四個(gè)大型探測(cè)器之一，主要進(jìn)行的正是粒子物理實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)期以來，梁志均投身于L H C中有關(guān)ATLAS的研究，重點(diǎn)開展物理分析和探測(cè)器硬件研發(fā)工作，一點(diǎn)一滴探尋著粒子物理世界中的神奇。

梁志均與ATLAS探測(cè)器

始于興趣 忠于粒子物理研究

之所以執(zhí)著于從事粒子物理這個(gè)研究方向，對(duì)梁志均來說，唯有“興趣”二字可以解釋?！拔覍?duì)物理很感興趣，而粒子物理可以研究物質(zhì)的深層次結(jié)構(gòu)，這對(duì)我很有吸引力。”梁志均如是說。

提到梁志均如何與物理結(jié)緣，還得從他的大學(xué)說起。對(duì)物理有著很深“執(zhí)念”的梁志均，在高中時(shí)期就參加了多個(gè)物理競(jìng)賽，取得的好成績(jī)也讓他對(duì)物理的感情愈發(fā)濃厚。2000年填報(bào)高考志愿時(shí)，他毅然決然地選擇了中山大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，一直到2010年博士畢業(yè)他都在中山大學(xué)圍繞物理學(xué)進(jìn)行研究，不曾離開。期間梁志均真正接觸到了LHC，并成為ATLAS實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)中的一員。

為了在科研路上汲取更多的“營(yíng)養(yǎng)”，博士畢業(yè)后梁志均再次踏入校園，分別在牛津大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校做博士后。在牛津大學(xué)做博士后期間，梁志均在ATLAS電弱物理方面做出重要貢獻(xiàn)，他精確測(cè)量了弱相互作用傳遞子“W/Z玻色子”的磁矩，其結(jié)果被引用過百次。由于其業(yè)務(wù)水平出色，他在2012—2013年被ATLAS國(guó)際合作組任命為電弱作用物理組的召集人，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌安排主導(dǎo)電弱作用方面的物理研究。電弱作用物理組是ATLAS實(shí)驗(yàn)主要的物料組之一，有來自世界各頂級(jí)研究所、大學(xué)的兩百位粒子物理學(xué)家。梁志均顯示了其優(yōu)秀的領(lǐng)導(dǎo)才能，高效地把ATLAS電弱作用物理組中200多位科學(xué)家組織在一起，完成了10多篇高水平的文章。其中兩個(gè)最重要的成果包括：在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)首次發(fā)現(xiàn)三玻色子（W、Z）產(chǎn)生過程，與首次觀測(cè)到矢量玻色子散射（Vector boson Scattering）的跡象等重要的結(jié)果。

除了物理分析外，梁志均還在ATLAS探測(cè)器研發(fā)中做到了不鳴則已一鳴驚人。2010年至2013年間，梁志均主要負(fù)責(zé)調(diào)試運(yùn)行ATLAS實(shí)驗(yàn)中硅微條徑跡探測(cè)器的激光位置校準(zhǔn)系統(tǒng)，為了達(dá)到到微米級(jí)的徑跡探測(cè)精度，他使用激光干涉儀，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，取得了良好的效果。而在對(duì)探測(cè)器的數(shù)據(jù)讀出時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，他創(chuàng)新性采用獨(dú)創(chuàng)的原位校準(zhǔn)法，成功把探測(cè)器4000多個(gè)module的讀出時(shí)間同步到2ns。

在加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校做博士后期間，梁志均對(duì)ATLAS硅探測(cè)器Phase-II升級(jí)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。期間，除了研究傳統(tǒng)傳感器，他還參與了新型CMOS傳感器的研發(fā)，包括CMOS傳感器像素單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、CMOS傳感器中的內(nèi)置放大器的偏壓設(shè)計(jì)等，并與研發(fā)團(tuán)隊(duì)摸索出抗輻照的傳感器像素單元結(jié)構(gòu)。此外，他參與到ATLAS硅微條探測(cè)器升級(jí)與探測(cè)器模塊的研發(fā)中，制造出了首批硅微條探測(cè)器模塊的原型，為傳感器設(shè)計(jì)做出了重要貢獻(xiàn)。

胸懷大志 展望美好未來

在國(guó)外做博士后研究的幾年間，梁志均與導(dǎo)師和同事都結(jié)下了深厚的情誼，盡管國(guó)外良好的研究平臺(tái)和學(xué)習(xí)氛圍對(duì)梁志均來說都充滿吸引力，但他心中還是希望能夠回國(guó)，為我國(guó)粒子物理的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

2016年，在中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”的支持下回國(guó)后，梁志均就開始思考下一步的研究計(jì)劃。他提到，2012年大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，標(biāo)志著人類對(duì)物質(zhì)及其相互作用的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)全新高度，其大部分的衰變道均已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，然而其中最主要的衰變過程——正反底夸克對(duì)衰變（H→bbˉ ）在很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有得到最終確認(rèn)。

梁志均近年致力于尋找H→bbˉ 衰變，這是確認(rèn)所發(fā)現(xiàn)的粒子是否為標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子最重要的一步，同時(shí)也是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型本身的關(guān)鍵檢驗(yàn)。他提出一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)方案，通過細(xì)分VBF過程中H→bbˉ 事件的“高能光子”子集來提高信號(hào)靈敏度。該方案最大程度上彰顯出信號(hào)，把VBF過程信號(hào)的顯著度提高50%以上。梁志均所提出的H→bbˉ 衰變測(cè)量的新實(shí)驗(yàn)方案得到了自然科學(xué)基金委的支持，并且進(jìn)展順利。今年下半年，ATLAS實(shí)驗(yàn)與CMS實(shí)驗(yàn)宣布首次發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子最主要的H→bbˉ 衰變過程的成果，中國(guó)組ATLAS組科學(xué)家們中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，梁志均團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)了ATLAS實(shí)驗(yàn)VBF過程的H→bbˉ 分析。

與此同時(shí)，梁志均登高望遠(yuǎn)，認(rèn)為既然高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的物理目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)希格斯粒子的高精度測(cè)量，那么硅徑跡探測(cè)器的預(yù)研就極有可能是未來高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中的關(guān)鍵所在。

有了研究目標(biāo)的梁志均斗志滿滿，今年，他以核心骨干身份參與了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中的課題“硅徑跡探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”，希望可以研制出高精度、抗輻照、低物質(zhì)量的硅徑跡探測(cè)器原型機(jī)，為研發(fā)和驗(yàn)證高精度徑跡測(cè)量的硅像素探測(cè)器技術(shù)而努力。同時(shí)，他對(duì)自己提出了要求，為了達(dá)到最終研究目標(biāo)，最終研制出的探測(cè)器的空間分辨率要達(dá)到3～5微米，精度也要遠(yuǎn)高于以往的探測(cè)器，而下一代高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的亮度以及對(duì)探測(cè)器的抗輻照要求也要相應(yīng)提高。

梁志均表示，如果研制成功，該探測(cè)器就有望成為高能物理實(shí)驗(yàn)中分辨率最高且數(shù)字讀出的像素探測(cè)器。梁志均展示了該項(xiàng)目的“秘密武器”：他們打算采用CMOS圖像傳感器技術(shù)，該技術(shù)會(huì)把傳感器與前端讀出的電路集成在一個(gè)芯片上，并以該技術(shù)減小像素尺寸，從而滿足下一代對(duì)撞機(jī)大科學(xué)裝置的物理要求。該項(xiàng)目所研制的CMOS圖像傳感器芯片比通用的CMOS芯片有更好的抗輻照性能，還能探測(cè)單個(gè)的帶電粒子；與高能物理中傳統(tǒng)的硅傳感器相比，具有更高的分辨率。該芯片可以廣泛應(yīng)用于核物理實(shí)驗(yàn)與粒子物理實(shí)驗(yàn)、同步輻射成像與X射線成像、醫(yī)療成像以及航空航天探測(cè)等多個(gè)重要領(lǐng)域，因此研究意義重大。

“如果要建立下一代的對(duì)撞機(jī)大科學(xué)裝置，我們需要使用自己研發(fā)的先進(jìn)探測(cè)器，該高精度傳感器芯片的研發(fā)必不可少。未來，我會(huì)把更多精力放在探測(cè)器芯片的研制技術(shù)上?！绷褐揪f道。雖然結(jié)果還不可知，但無論如何，他都會(huì)在不斷挑戰(zhàn)、完善自我的過程中，逐一實(shí)現(xiàn)心中的科研夢(mèng)想。