傾心物理 擁抱粒子
——記清華大學物理系助理教授胡震

□ 武光磊

胡震

一顆發(fā)射到地球的“智子”對粒子加速器進行了干擾，使人類不能再探索物質的深層結構，從而鎖死了地球科技發(fā)展……這是小說《三體》中的情節(jié)。彼時，即將攻讀研究生的胡震正在為選擇研究方向頗感困擾，這段情節(jié)讓他眼前一亮，好似看到了未來的發(fā)展方向。

“小說中，加速器被干擾后，粒子物理基礎理論的研究無法進行，其他各領域的發(fā)展也都將止步于這道無形的墻。地球科技無法跨越到下一層次，人類在外星人面前，就好比冷兵器時代的原始人，即便刀劍磨得再鋒芒逼人，面對現(xiàn)代化的槍炮也不堪一擊。”胡震說道。不想僅將研究之路停于表層，而是向往探尋更深層次的微觀世界中物質的結構與性質的胡震，就這樣確定了自己的研究方向，開始了粒子物理學的研究之路。

如今，在這條路上已經(jīng)孜孜不倦前行10余年的胡震，在該領域的研究漸入佳境。他曾開展尋找夸克膠子等離子體和B介子稀有衰變研究，也曾研發(fā)硅徑跡觸發(fā)電子學和芯片。在他看來，粒子物理中一個個懸而未決的謎團，就是他最大的研究動力。

“玩轉”物理

世界是由什么構成的？又是什么把物質緊緊地束縛在一起？

千百年來，人類一直思索著這兩個基本問題，而這兩個問題之所以被不斷地推上“熱門搜索榜”，是因為背后的答案不僅與人類息息相關，同時也是理解與塑造有關宇宙背后定律的關鍵所在。

粒子物理學正是這樣一門學科，它研究的是構成萬物的基本粒子以及這些粒子之間是如何相互作用的。粒子物理學在改變人類對宇宙認識的同時，也在其他科學領域以及教育與生活質量的改變上做出了重大貢獻。從科學史上看，粒子物理學的研究范圍極為廣泛，涉及最大、最復雜且最精密的實驗。從實際應用的角度來看，粒子物理學又是一門可以被應用在方方面面的學科，從固體物理到醫(yī)學診斷再到分布式計算，處處都留下了粒子物理學的身影，它的神奇給無數(shù)人留下了極為深刻的記憶。胡震就是這許許多多人中的一分子，從高中開始，他就對物理很感興趣，老師的引導加上高中一次參加物理競賽取得的優(yōu)異成績，為胡震開啟物理學習的大門給予了巨大的鼓勵。他也因此在考入四川大學后，毫不猶豫地選擇了物理作為研究專業(yè)。

都說興趣是最好的老師，胡震在這位“最好老師”的帶領下，順利完成了大學學業(yè)，并于2007年憑借優(yōu)異成績被保送到北京大學物理學院繼續(xù)學習粒子物理。來到北京大學以后，胡震再一次被物理的神奇所震撼，在高能實驗組負責人冒亞軍教授、導師錢思進教授等老師和同學的指導幫助下，做出了多項突出貢獻。由于和美國費米國家加速器實驗室的合作，胡震在碩士研究第二年來到費米實驗室做訪問學者，期間他了解到了更多物理世界的神奇，也決定在完成碩士學業(yè)后繼續(xù)到國外汲取物理“養(yǎng)分”，于是碩士畢業(yè)后胡震于2010年來到美國普渡大學跟隨Ian Shipsey教授繼續(xù)探索物理世界。

在量子色動力學中，由于色禁閉效應的存在，自由夸克無法被直接觀測到。然而，有一種理論預言，在極高溫且壓強極高的環(huán)境中，色禁閉效應將會被屏蔽，這樣就可以形成夸克和膠子自由存在的新物質形態(tài)，稱為夸克膠子等離子體（QGP）。對QGP的尋找一直是量子色動力學的一個重要課題，但無奈受實驗條件所限，科學家至今都沒能證實其是否真實存在，比如，溫度需要達到2*1012K這一條件就讓無數(shù)研究學者犯了難。對該問題的數(shù)學推導還被稱為世界七大數(shù)學難題之一。

作為CMS實驗B物理組的核心成員之一，胡震勇挑重擔，探索QGP的奧秘。在積累多年的相關研究經(jīng)驗的基礎上，他果斷決定在重離子對撞中開展底偶素Y→μ+μˉ研究，成功首次在重離子對撞中觀測到了Y激發(fā)態(tài)相對于基態(tài)的壓低，成果發(fā)表在Phys.Rev.Lett.上。次年，胡震基于大統(tǒng)計量的數(shù)據(jù)，又繼而取得新突破，他首次在實驗上觀測到了Y三個共振態(tài)的依次壓低（熔化）現(xiàn)象，為QGP的存在提供了有力的證據(jù)。

探索物理學，本質上就是在探索一個全新的、未知的世界。而未知世界是無窮無盡的，從分子到原子，再到原子核、夸克，人類對物質世界的認知一直沒有窮盡，胡震對這個未知世界的探索自然也不會停止。據(jù)胡震介紹，從20世紀80年代至今，B物理領域最重要的研究目標之一，就是尋找Bs→μ+μˉ純輕子稀有衰變。盡管有關實驗做了無數(shù)次，但30多年來礙于實驗精度不夠，科學家一直都沒有觀測到。此時，已經(jīng)對底偶素Y→μ+μˉ做過多次測量的胡震對低能區(qū)的雙繆子衰變積累了豐富的研究經(jīng)驗。他接下這份挑戰(zhàn)，改進了核心的“提升決策樹”方法，糾正了以往事例選擇程序中的兩個隱蔽錯誤，用BDT方法以4.3σ的顯著度首次觀測到衰變，精確測得其分支比為(3.0±1.0)×10-9，在1σ偏差以內符合標準模型預期。

此后，胡震又于2014年3月加入了費米實驗室Ted Liu領銜的一級徑跡觸發(fā)研究組。他了解到目前國內在高能實驗硬件，尤其是芯片研發(fā)方面的專業(yè)人才很稀缺，借此機會他開始研發(fā)相關硬件。他與研究組共同依托實驗室已經(jīng)掌握的ATCA技術，成功自主研發(fā)了通用型ATCA數(shù)據(jù)傳輸主板Pulsar2b、徑跡模式識別夾板PRM等一系列全新硬件。研究團隊還于2016年12月成功搭建了完整的小規(guī)模硬件系統(tǒng)，由此證明了CMS上一級徑跡觸發(fā)的可行性，并撰寫了技術報告。隨后，研究組開發(fā)的用FPGA做徑跡擬合的算法，也發(fā)表在了NIM上。

2012年8月，與英國理論物理學家Peter Higgs在愛丁堡合影。

“回國是正確的選擇”

在費米實驗室工作的幾年間，胡震對物理學有了更加深入與全面的了解，取得的一系列成果也讓他在高能物理圈里“聲名赫赫”，但初心告訴他，做科研一定要為自己的國家增光添彩。2018年，胡震選擇回到清華大學物理系任助理教授?；貒?，他總有一種說不出的親切感，也深切感受到了近年來國家的快速發(fā)展以及對科研的大力投入與支持，這一切都令胡震感到回國是一個正確的選擇，也令他對接下來的研究更加充滿斗志。

胡震表示，研究粒子物理，高能實驗是繞不開的重要方法之一，近百年來，高能實驗的快速發(fā)展，使得各種基本粒子依次被發(fā)現(xiàn)，也成功驗證了粒子物理的標準模型。從獲得的各種實驗數(shù)據(jù)來看，都表明未來將會有很大機會通過對實驗數(shù)據(jù)的研究，來發(fā)現(xiàn)其他重要的物理現(xiàn)象。胡震對此很是期待，回國后也決心開始付諸實踐。

來到清華大學物理系任職后，胡震在系主任王亞愚教授和高能物理研究中心主任王青教授的支持下，僅僅用了不到3個月的時間，便成功推動了清華物理系正式加入了歐洲核子中心的CMS合作組，實現(xiàn)了清華物理系CMS從無到有的突破。與此同時，胡震作為清華CMS組的第一人，在短時間內組建了一支包含博士后、博士生、本科生、工程師在內的完整科研隊伍，并與北京大學CMS組合作實現(xiàn)了Gem探測器的聯(lián)合研發(fā)與建造。目前，在校內已成功建立了計算陣列平臺，并得到清華大學雙E基金資助，用于擴展計算機群。

成功組建團隊，獲得各方的大力支持后，胡震對接下來的研究更加斗志滿滿。他表示，在高能物理實驗研究中，“低質量多輕子末態(tài)”是一個尚未被深入探索過的領域。此前，針對LHC Run 1數(shù)據(jù)，歐洲核子中心的CMS實驗合作組在低質量多輕子末態(tài)Y(1S)μμ中看到了新粒子的跡象，質量在18@GeV附近。

胡震作為CMS實驗上的Y測量專家，早在2014年年底便加入了低質量多輕子末態(tài)Y(1S)μμ的研究，已經(jīng)見證了18GeV質量峰的出現(xiàn)，并全程參與了Run 1數(shù)據(jù)的相關研究，積累了豐富的經(jīng)驗。

有了研究基礎，胡震2017年年底在費米實驗室與資深科學家Ted Liu合作，組建并領導了新的研究團隊，專門針對13TeV的Run 2數(shù)據(jù)展開研究，并獨創(chuàng)性地提出了新的基于“事例混合”的堆積本底消除方法和物理本底模擬方法。這一全新的研究方案，不僅解決了高亮度數(shù)據(jù)分析中的難點，更可直接推廣至更高的能區(qū)，開辟了一個全新的研究領域。

而此次回到清華大學物理系后，胡震延續(xù)這一新思路，將低質量多輕子末態(tài)的一系列創(chuàng)新研究思路和方法引入了清華高能物理研究中心。據(jù)悉，研究中心將充分發(fā)揮理論與實驗相結合的特色，在低質量能區(qū)構造出合理的理論模型，從幾個GeV直至100個GeV的區(qū)間，在LHC實驗上展開全面的搜尋和研究，其中既包括已經(jīng)在LHC Run 1數(shù)據(jù)中看到新物理跡象的多輕子末態(tài)，也包括對超越標準模型的新物理有更強限制的雙繆子末態(tài)、雙電子末態(tài)、雙光子態(tài)等。

此外，2019年年初，胡震還與陳新教授合作，合力推動清華大學物理系加入了CERN的FASER實驗組，成為目前中國唯一參加FASER實驗的單位。

FASER實驗位于LHC上ATLAS對撞點外480米左右處的地下隧道中，主要用于探測質子對撞產(chǎn)生的弱相互作用輕粒子，如暗光子、暗希格斯玻色子、惰性中微子等，也可用于尋找類軸子或其他超越標準模型的新物理。作為前向探測器，F(xiàn)ASER可以觀測到ATLAS和CMS等探測器無法覆蓋的、接近粒子束流方向的產(chǎn)物。同時，由于其距離ATLAS實驗對撞點較遠，因此更適合探測長壽命的粒子。

作為FASER國際合作組成立的16個創(chuàng)始單位之一，清華大學物理系將在探測器研發(fā)、軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等多個方面為FASER實驗做出重要貢獻。目前，物理系承擔了探測器控制系統(tǒng)前端電子學的設計和制作、徑跡探測器準直與刻度軟件的開發(fā)等工作。胡震認為：“我們預計將在未來兩年左右開始運行取數(shù)，并有希望在該領域取得有影響力的科研成果?！边@項研究工作已經(jīng)得到了國家自然科學基金、清華大學理科發(fā)展雙E計劃科研基金、清華大學自主科研經(jīng)費的支持。

“回國是正確的選擇，但也是對自己新的挑戰(zhàn)?！焙鹫f道。作為CMS實驗物理數(shù)據(jù)組的召集人，為了實驗的正常運行，胡震幾乎天天都與歐洲核子中心連線進行視頻會議。由于北京與瑞士有六七個小時的時差，每到傍晚下班的時候，胡震忙碌的一天才真正開始。有時候，幾個會開完之后，就已經(jīng)到了第二天清晨，這時候，胡震才結束一天的工作，迎著朝陽趕回家休息。

FASER團隊合影

暢想未來

來到清華大學后，胡震對未來充滿希望，也對接下來在清華大學物理系開展的高能物理實驗研究有了詳細的計劃。

他表示，高能物理實驗是粒子物理研究的重要方法之一，近百年來，隨著各種基本粒子的發(fā)現(xiàn)，成功驗證了粒子物理的標準模型。可至今為止LHC已采集的數(shù)據(jù)還不到預計總量的5%，由此看來未來將有很大機會通過對實驗數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)重要物理現(xiàn)象。在清華大學優(yōu)厚的科研資源支持下，胡震預計會開展對Y+雙輕子質量譜上的18GeV新粒子的研究，并向高能區(qū)進行推廣。

而針對TeV物理和Higgs物理，胡震計劃與陳新教授一起，在物理系已有的基礎上，進一步拓寬研究方向，并著重在LHC數(shù)據(jù)中尋找重Higgs粒子，還要在新數(shù)據(jù)中深入研究其重建標度、分辨率、觸發(fā)效率和系統(tǒng)誤差等細節(jié)問題。

此外，預計要在2027年開始運行高亮度LHC，對探測器的各方面都提出更高的要求。因此，加強硬件貢獻將會為清華大學贏得在LHC實驗上的話語權，也會增強清華大學選擇熱點物理題目的競爭力。為此，胡震在清華高能物理中心的支持下，充分發(fā)揮清華大學在工科方面的優(yōu)勢，積極參與到探測器的升級改造工作中。胡震表示，盡管現(xiàn)在只是他來到清華大學的第一年，但他已經(jīng)把清華當作自己物理追夢的大本營，也計劃下一步開始推動清華大學與中國科學院高能所的合作，共同進行硅探測器電子學的研究。

在忙著粒子物理研究的同時，胡震會抽出時間關注中國在CEPC建立方面的進展，他希望我國這一環(huán)形對撞機能夠盡早實現(xiàn)與國外對撞機的技術“對撞”。

在物理世界里的一次次探索，是胡震與科學最美好的遇見；而實驗獲得的一個個令人欣喜的數(shù)據(jù)，是他與團隊無數(shù)個奮戰(zhàn)日夜后的欣慰。他也將繼續(xù)懷揣有關粒子物理的夢想，在未來交出更亮眼的成績單。