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(cè)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(duì)這大量存在的暗物質(zhì)，我們到底了解多少？“我們推測(cè)暗物質(zhì)應(yīng)該是中性、非相對(duì)論性的，并且應(yīng)該滿足觀測(cè)的殘留密度要求。大型對(duì)撞機(jī)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?！敝軐幗陙淼难芯恐攸c(diǎn)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(gè)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(huì)覺得這是很神奇很美妙的事情?！闭劦綇氖露嗄甑牧Ｗ游锢?，周寧說。

周寧對(duì)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(qiáng)化班。強(qiáng)化班推行通識(shí)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(shí)，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(shí)?！按笕龝r(shí)，我上了一門粒子物理課。”在這門課上，周寧發(fā)現(xiàn)整個(gè)世界可以分為四種相互作用——強(qiáng)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?！翱瓷先ヌ貏e簡單，但是把整個(gè)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。”

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(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)新的粒子和精確測(cè)量，尤其是最近在LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）上發(fā)現(xiàn)的Higgs（希格斯）粒子， 逐步驗(yàn)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(duì)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(gè)大合作組實(shí)驗(yàn)，即“ATLAS實(shí)驗(yàn)和D0實(shí)驗(yàn)”。

ATLAS實(shí)驗(yàn)，是歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的四個(gè)大型探測(cè)器之一。而D0實(shí)驗(yàn)，是世界上運(yùn)行能量第二高的質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron上的兩大探測(cè)器之一，位于美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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。“我們的學(xué)習(xí)方式就是把人扔進(jìn)大團(tuán)隊(duì)，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(qǐng)教、在大團(tuán)隊(duì)里怎樣去組建自己的小團(tuán)隊(duì)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(jiān)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(gè)研究課題。

弱相互作用的重粒子（WIMP）是一個(gè)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(cè)器不能直接測(cè)量其能量或動(dòng)量。只能通過WIMP和一些標(biāo)準(zhǔn)模型粒子在對(duì)撞機(jī)上伴隨產(chǎn)生的過程，此時(shí)探測(cè)器上會(huì)留下缺失橫向能量的信號(hào)，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(duì)撞機(jī)對(duì)WIMP模型的限制轉(zhuǎn)化為另外兩種模式——暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中暗物質(zhì)和核子散射截面的限制，暗物質(zhì)間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中暗物質(zhì)湮滅的限制，從而將暗物質(zhì)的3個(gè)尋找方向——對(duì)撞機(jī)尋找、直接探測(cè)和間接探測(cè)有機(jī)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(qiáng)衰變道分析，其中的難點(diǎn)之一在于如何重建強(qiáng)衰變的W和Z玻色子。他采用了一個(gè)大半徑的噴注去解決這一問題，成為ATLAS中首個(gè)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(gè)尋找結(jié)果轉(zhuǎn)化成希格斯子不可見衰變的限制。因?yàn)樵诎滴镔|(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(gè)分析工作，并為LHC再次運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析組建研究團(tuán)隊(duì)。

不論如何，能夠在ATLAS上開創(chuàng)一系列的暗物質(zhì)尋找，對(duì)于“80后”周寧來說，已經(jīng)是一個(gè)不小的成績。在這兩項(xiàng)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?yàn)樵谫M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)的D0探測(cè)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(jiǎng)。

務(wù)實(shí)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?！敝軐幷f。與粒子物理完美描述對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)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(duì)撞機(jī)能量還不能達(dá)到這樣的條件，實(shí)驗(yàn)室還沒辦法找到暗物質(zhì)粒子。雖然在國外時(shí)，周寧對(duì)3種形式的暗物質(zhì)探測(cè)均有涉獵，但他還是希望回國后側(cè)重點(diǎn)放在對(duì)撞機(jī)尋找和直接探測(cè)上。

“國內(nèi)近年來對(duì)暗物質(zhì)研究特別重視，在項(xiàng)目支持上也更多?！闭劦交貒鴷r(shí)，周寧的答案無比實(shí)在。“十余年來，我長期在ATLAS實(shí)驗(yàn)上做工作，對(duì)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(cè)上有發(fā)展意向，我就選擇到清華任職。”2014年，他入選青年“千人”計(jì)劃；2015年6月，正式到崗。對(duì)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，LHC在升級(jí)后再次開始運(yùn)行，對(duì)撞能量達(dá)到了13Tev，并將持續(xù)運(yùn)行至2018年中，計(jì)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(kuò)大，而這個(gè)從未探索過的能量區(qū)域講給他們帶來一個(gè)發(fā)現(xiàn)新物理的新契機(jī)?！百|(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生出大量強(qiáng)子，其在ATLAS探測(cè)器中形成噴注（jet）。其中由B強(qiáng)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(cè)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(cè)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(shí)?！痹缭诨貒?，周寧就在考慮這個(gè)問題了。

作為曾經(jīng)的ATLAS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(dòng)量區(qū)域的協(xié)作，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展有著深刻的認(rèn)識(shí)，并在2015年初向ATLAS b-tagging研究組提出了物理需求，推動(dòng)了b-tagging組逐步開展了高動(dòng)量區(qū)域性能的優(yōu)化，研究引起了ATLAS合作組的廣泛重視。“我準(zhǔn)備通過ATLAS實(shí)驗(yàn)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(duì)撞機(jī)上的產(chǎn)生機(jī)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(duì)打下基礎(chǔ)。

“最重要的品質(zhì)是誠實(shí)”

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?！拔覀冎白鰧?shí)驗(yàn)，需要從浩如煙海的數(shù)據(jù)量里找出我們需要的信號(hào)，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(jī)制說起了。

ATLAS的實(shí)驗(yàn)，全世界獨(dú)此一家，因此合作組特別依賴于內(nèi)部審核，也就是說一個(gè)幾個(gè)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(gè)結(jié)果得到數(shù)千人認(rèn)可，實(shí)在是一個(gè)漫長的過程，“一年”已經(jīng)是正常的實(shí)驗(yàn)分析周期了。“最難忘的就是得到合作組認(rèn)可的那一刻。”周寧感慨著，“一個(gè)需要大合作的工作，最重要的品質(zhì)就是誠實(shí)。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?！?/p>

回國不到一年，周寧已經(jīng)感受到身上的擔(dān)子?！安辉傧癫┦亢髸r(shí)期只要做好研究就行，現(xiàn)在要招收學(xué)生、要申請(qǐng)項(xiàng)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(jì)劃好以后會(huì)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(dòng)暗物質(zhì)和新物理尋找工作向前發(fā)展，并迅速帶動(dòng)清華大學(xué)高能物理團(tuán)隊(duì)在ATLAS奇異物理組和b-tagging組占有一席之地。他將為這個(gè)目標(biāo)而努力。endprint