用創(chuàng)造力超越我們眼見的世界
——記上海交通大學(xué)物理與天文系特別研究員王偉

本刊記者 杜月嬌

用創(chuàng)造力超越我們眼見的世界
——記上海交通大學(xué)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(xué)物理與天文系特別研究員、博士生導(dǎo)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(qiáng)子物理及大型強(qiáng)子對撞機(jī)上量子場論計算等方面的研究。2004年本科畢業(yè)于山東大學(xué)物理學(xué)院, 2009年于中國科學(xué)院高能物理研究所獲得博士學(xué)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(xué)者。2012年10月開始在波恩大學(xué)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(lǐng)域國際、國內(nèi)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表SCI論文50多篇，被引用1000多次。其中兩篇文章發(fā)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(fā)表文章被評為“2008年中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)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(xué)和技術(shù)研究委員會邀請評審2012年度青年科學(xué)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(xué)。

在粒子物理學(xué)的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計算技術(shù)的應(yīng)用與不斷發(fā)展，既帶來了粒子物理本身的進(jìn)展，也促進(jìn)了人類整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。從科學(xué)發(fā)展趨勢來看，粒子物理學(xué)的研究仍將會是一個十分活躍的領(lǐng)域。

目前，粒子物理可以由一個被稱為標(biāo)準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。用以區(qū)分6種夸克的是一種被稱為味道的量子數(shù)，其中一種夸克的質(zhì)量較重，且又可以形成穩(wěn)定的強(qiáng)子束縛態(tài)，這就是底夸克(b),形成的介子態(tài)被命名為B介子，與之相關(guān)的物理則稱為B物理。當(dāng)前，在B介子實驗中檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型和尋找新物理存在的信號與證據(jù)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(xué)家十分關(guān)注的領(lǐng)域。

在2015年6月4日英國《自然》雜志出版的一篇粒子物理學(xué)報告稱，科學(xué)家在歐洲核子研究中心（CERN）地下的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（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(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測這種衰變，物理學(xué)家已尋找該衰變過程的證據(jù)超過了30年，此次新的觀測結(jié)果證實了標(biāo)準(zhǔn)模型做出的預(yù)測，亦對可能的新物理進(jìn)行了嚴(yán)格的限定?？茖W(xué)家希望，在LHC和即將運行的超級B工廠上進(jìn)行的新實驗可以準(zhǔn)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(xué)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(qiáng)子物理及大型強(qiáng)子對撞機(jī)上量子場論計算等方面。2015年，他作為項目負(fù)責(zé)人申請了國家自然科學(xué)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(jìn)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(chǔ)。

瞄準(zhǔn)B物理研究中的關(guān)鍵問題

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

B介子衰變是測量夸克混合矩陣元(CKM)，檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，理解因子化定理，尋找電荷共軛—宇稱聯(lián)合變換(CP)對稱性破壞機(jī)制的理想場所。在2012年ATLAS和CMS實驗組發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。兩個互補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，達(dá)到尋找新粒子或限定其參數(shù)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(tǒng)中的CP破壞，這為兩位日本物理學(xué)家Kobayashi和Maskawa獲得2008年度諾貝爾物理學(xué)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(qiáng)子對撞機(jī)(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(xiàn)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(shù)據(jù)。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(yù)期將于2016年投入運行，繼續(xù)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(jī)：環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)和超級Z工廠，屆時將會產(chǎn)生大量且干凈的b夸克事例。在這些物理實驗的強(qiáng)勁支持下，B物理在未來一段時間內(nèi)仍將會是一個重要的熱點方向。

理論上精確預(yù)言B介子衰變所遇到的最大問題是計算涉及強(qiáng)相互作用的衰變矩陣元，目前缺乏從第一原理性出發(fā)的處理方法，這給檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型和探測新物理效應(yīng)帶來了不可避免的困難。強(qiáng)子過程必定牽涉非微擾的量子色動力學(xué)(QCD)機(jī)制，無論是用于檢驗粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，或探索標(biāo)準(zhǔn)模型之上的新物理，都必須針對其中蘊含的非微擾機(jī)制，先進(jìn)行精細(xì)的探討與處理。微擾量子色動力學(xué)的主要想法是將對撞過程中的非微擾機(jī)制，透過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧孔訄稣摮绦?，抽離并納入強(qiáng)子分布函數(shù)；理論的重點在證明分布函數(shù)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(biāo)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(zhì)量能標(biāo)的物理吸收到短程系數(shù)中。針對不同物理體系，人們已提出了一些唯象模型，并創(chuàng)立并發(fā)展了一批因子化方案。在這些理論框架內(nèi)，降低理論計算誤差和提高理論計算精度的理論進(jìn)展具有非常重要的學(xué)術(shù)價值。

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

創(chuàng)新突破科研瓶頸

國際上LHCb實驗已發(fā)表了關(guān)于B物理的豐碩結(jié)果，數(shù)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(jì)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(jī)制，理論架構(gòu)并不完備，缺少次要貢獻(xiàn)及B介子多體衰變的分析方法，欲從重味衰變過程中發(fā)掘新物理的蹤跡，理論預(yù)言和實驗數(shù)據(jù)的精確度都必須進(jìn)一步提升。

低能標(biāo)下強(qiáng)作用耦合常數(shù)很大，經(jīng)典微擾理論不再適用。B介子衰變中，初末態(tài)強(qiáng)子化所帶來的不確定性使得人們幾乎沒有辦法模型無關(guān)地去計算，給抽取CP破壞參數(shù)和限定新物理模型帶來了嚴(yán)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(jīng)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(fā)點是盡量精確的計算強(qiáng)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(jī)物理的數(shù)據(jù)庫，填補(bǔ)微擾QCD方法下兩體B介子非輕衰變系統(tǒng)研究的空白，簡化理論計算的復(fù)雜度。將所有強(qiáng)子的分布振幅以Gegenbauer多項式參數(shù)化，b夸克衰變振幅樹圖、企鵝圖及費曼圖分類，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)擬合所有的Gegenbauer參數(shù)，建立B介子衰變的數(shù)據(jù)庫后，藉由衰變道選擇相關(guān)b夸克衰變振幅的自動化機(jī)制，實驗學(xué)家只需輸入欲測量的衰變道，即可估計對應(yīng)的物理量，有助于數(shù)據(jù)的分析。初期的精確只達(dá)到領(lǐng)頭階，日后將隨PQCD理論的進(jìn)展，逐步改進(jìn)數(shù)據(jù)庫的精確度，精確度提升之后，配合LHCb和Belle II的豐富數(shù)據(jù)，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(tuán)隊已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗積累。

2009年王偉于中國科學(xué)院高能物理研究所獲得博士學(xué)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(chǎn)生》。目前已在本領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表SCI論文60多篇,被引用1300多次。其中兩篇文章發(fā)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(yīng)邀在國際會議上報告成果進(jìn)展，受到國際學(xué)術(shù)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(tuán)隊長期與國內(nèi)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(yīng)用，非相對論量子色動力學(xué)和光錐求和規(guī)則等方面有較多的貢獻(xiàn)。實際上重味物理是國內(nèi)高能物理界的傳統(tǒng)強(qiáng)項，無論在理論或?qū)嶒灧矫娼杂谐渑娴难芯咳肆?，也獲致具有國際影響力的學(xué)術(shù)成果。目前已經(jīng)形成了一支整體實力強(qiáng)，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(nèi)容為兩體B介子非輕衰變的系統(tǒng)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(xiàn)；Bc純輕輻射衰變過程的研究，除此之外，王偉的科研團(tuán)隊還將繼續(xù)追蹤最新的實驗進(jìn)展，對感興趣且重要的實驗結(jié)果給出唯象分析和解釋，并做出一些可以做判據(jù)性的預(yù)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(jié)合LHCb、超級B介子工廠等高能物理實驗，根據(jù)實驗研究和理論發(fā)展的需要，選擇重味物理研究中亟待解決的幾個關(guān)鍵問題，做深入、系統(tǒng)的研究，提高理論計算精度，獲得有重要學(xué)術(shù)價值的成果。項目組將在標(biāo)準(zhǔn)模型理論框架下，發(fā)展非微擾量子色動力學(xué)的新方法，提高強(qiáng)子矩陣元計算的準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)新物理存在的信號或者證據(jù)提供理論依據(jù)。該項目的順利實施，將促進(jìn)理論學(xué)家和實驗學(xué)家在這個領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域的影響力，也有助于實現(xiàn)上海交通大學(xué)建設(shè)一個國內(nèi)領(lǐng)先世界一流的粒子物理理論研究中心之長遠(yuǎn)目標(biāo)。

1988年諾貝爾物理學(xué)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(jié)尾曾充分流露出了物理學(xué)家們對粒子物理終極前景的渴望，他這樣寫道：“天空中出現(xiàn)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(diào)彌撒曲莊嚴(yán)、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?！蔽覀兿Ｍ鮽サ任锢韺W(xué)家的研究結(jié)果終有一日可以拂去上帝臉上那淡淡的悲傷。