探寻高能物理的神秘世界——记北京大学理论物理研究所研究员杨李林

本刊记者 姜晓宏

2013年10月8日，凭借50年前对于希格斯粒子的预言，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯两位理论物理学家获得了2013年的诺贝尔物理学奖。这一奖项的依据，是2012年7月4日欧洲核子研究组织所宣布的，在大型强子对撞机上作出的重大发现，即希格斯粒子的存在。这一发现，预示着高能物理又一个黄金时代的到来。

高能物理世界的神秘与美好，令无数中外科学家为之痴迷。如果从少年时期萌发的对物理学朦胧的“初恋”算起，“国家青年千人计划”入选者，北京大学物理学院的杨李林已经在这条高深莫测、没有尽头的探索之路上，坚定前行了十余年。这位80后的研究员，正逐渐开始在当今理论物理研究领域的前沿崭露头角。

开启高能物理的征程

自1998年走进北京大学物理学院那天起，杨李林的人生与高能物理正式结缘。

高能物理不但研究构成物质世界的基本元素、物质间的相互作用规律、宇宙的起源与演化等“终极”科学谜题，它在精密机械、高真空、超导、快电子学、计算机和网络等先进技术中发挥的关键作用，更让这个学科在近几十年内迅速成为科学家必争之地，甚至在一定程度上“反映了国家科技的总体实力和地位”。统计数据显示，从1901年诺贝尔奖诞生之日起，100多位诺贝尔物理学奖得主中，就有40多人的研究与高能物理有关。

从事高能粒子物理的科研工作，所必须的前期准备相当漫长，需要学习的基础课程非常之多。借助于北京大学开放的课程设置，杨李林在本科阶段就能够选修各种高阶的研究生课程。在这个过程中，杨李林欣喜地体验到，之前在科普读物中接触到的各种神奇的现象逐渐转变为一个个深刻的原理和精妙的公式。特别令杨李林感兴趣的是量子规范场论这门课程。量子规范场论是当今粒子物理标准模型的基石，它有着优美的对称性和简洁的定义，同时又有着丰富的数学和物理内涵，让杨李林沉醉不已。

这些课程的学习，使得杨李林对于物理世界朦胧的好奇心更加具体化。好奇心是开启科学研究旅程的一把钥匙，杨李林手持这把钥匙，开启了高能物理世界的一扇扇奥秘之门。

量子色动力学（QCD）是粒子物理标准模型中用来描述强相互作用的一种量子规范场论。它对于高能强子对撞机物理的研究至关重要。杨李林在北京大学攻读博士学位期间，就在QCD方面接受了系统的训练，并将其作为他研究工作的一个重要内容。2007年博士毕业后，杨李林来到德国的美因茨大学担任博士后研究员。在这里，他开始与合作者一起，对QCD中的很多重要问题展开深入的研究。

2008年是大型强子对撞机（LHC）开始运行前的最后一年，人们对于这一具备前所未有的超高能量的对撞机充满期待，设想着在LHC上发现希格斯粒子和各种新奇的物理现象。LHC是一个让高能质子之间相互碰撞的实验仪器。在LHC上，希格斯粒子的主要来源是由质子中的胶子组分通过量子效应而产生的，即所谓的胶子融合过程。而胶子正是QCD理论中强相互作用力的携带者，它们之间具有非常复杂的非线性自相互作用。正因为如此，这一碰撞过程受到很强的QCD量子效应的影响，很难做出非常精确的理论预言。杨李林和他的合作者当时正在考察改进对这一过程计算精度的可能性。他们在一次讨论中突然想到，有一类非常重要的量子效应实际上具有一个非常简单的来源。他们进而提出了一种新的方法，可以非常精确地计算这一类量子效应。以此为基础，他们得到了当时世界上对于这一过程最为精确的理论预言。

完成对希格斯粒子产生过程的研究之后，杨李林的目光立即被另一个非常有趣的问题所吸引。这就是QCD以及更为一般的量子规范场论中的红外发散问题。QCD或者说强相互作用的一个重要特性是所谓的渐进自由，即表征相互作用强度的耦合常数在能量很高的时候比较小，而在能量很低的时候则会变得非常大。发现这一特性的三位物理学家于2004年获得了诺贝尔物理学奖。红外发散就是由能量非常低的胶子所产生的。当计算中出现红外发散时，往往意味着所采用的微扰计算方法并不完全适用。此时就需要重新审视是否有其它的因素来消除这种红外发散，或者把不能计算的部分剥离开来单独进行考虑。由此可见，对于红外发散的理解，具有很重要的理论和实际意义。

当时正是2009年，LHC即将开始运行，实验物理学家对于高精度的QCD计算的需求空前旺盛。在这样的大背景下，国际理论物理学界对于QCD中的散射振幅及其红外发散的研究也进展神速。特别是对于零质量的粒子参与的散射过程，其红外发散的结构已经有了一个比较清楚的图像。然而，一旦引入粒子的质量，事情就变得复杂起来，长期以来人们只有一些相对粗糙的了解。2009年初，QCD理论的权威George Sterman教授所领导的团队对这个问题进行了探索，试图得到更为准确的图像。然而，他们遇到了一个非常复杂的积分，没有办法计算出来，最终只能以部分进展的形式发表了他们的结果。

得知这个情况后，杨李林很感兴趣，他与合作者很快一起投入力量，决心攻克这个难题。事情并不那么顺利，两个月的时间过去得很快，他们虽然了解了这个积分的很多性质，但还是没有找到计算的方法。这段时间，杨李林的脑海几乎都被这个问题给占据了。无论是吃饭时还是睡觉前，杨李林都要思考无数遍他们已经获得的信息和可能的突破口。这样的努力终于有了回报，一天早上起床后，杨李林脑子里突然灵光一现，他把已有的信息“拼装”起来，居然“猜”出了一个可能的答案。他非常兴奋，立刻赶到办公室将这个猜测告知了另外两位合作者。他们一起对这个答案进行了各种检验，几乎肯定它就是正确的结果。

虽然“猜”出了答案，杨李林并不满足。对他来说，还欠缺一个严格的证明，这让他寝食难安。整整两天时间，他的心思都花在寻找这个证明上面。第二天傍晚，他像往常一样坐上回家的公交车。在车上，他突然产生了一个新的想法，马上拿出笔记本电脑开始在上面计算起来。回到家时，他已经编写完成了用于计算的程序。他插上电源，一边让电脑开始进行计算，一边照常去准备晚餐。经历了这么长时间多次的失败，此刻他的心情是忐忑不安的。因此，当他准备完晚餐回到电脑旁边，发现屏幕上出现了他想要的结果时，他几乎不敢相信自己的眼睛。他做了好几次检查确认没有错误之后，把这个好消息通知了他的合作者。他们立刻着手把结果写成论文，并最终发表在理论物理学的顶级期刊《物理评论快报》（Phy sical Review Letters）上。

有了关于红外发散的理解，杨李林敏锐地觉察到，这些结果可以很好地改进关于对撞机上顶夸克产生过程的研究。他立即向合作者建议进入这一领域。他的判断没有错。他们在顶夸克领域的一系列工作成为Tevatron和LHC对撞机上各大实验组在测量顶夸克对产生时采用的标准理论参考文献。基于他们的研究，Tevatron上的D0实验组在历史上首次直接测量到顶夸克在改进的最小减除方案下的质量。他们的工作还被粒子数据工作组（PDG）于2012年发布的新版《粒子物理评论》（Review of Particle Physics）收录。《粒子物理评论》是粒子物理学的权威指南，包括了粒子物理各个领域最重要的进展。

这些研究成果奠定了杨李林科研之路坚实的基础，此后，他来到瑞士的苏黎世大学，继续深化和拓展他的研究领域。这位年轻的研究员，逐渐开始在国际理论物理学界崭露头角。

兴趣是科研的原动力

诺贝尔化学奖得主、著名结构生物学家布莱恩·科比尔卡曾说过，真正的科研离不开坚持和兴趣。因为成功从来不是一件容易的事，只有经历无数失败后，才能最终迎来成功。在不断尝试的过程中，如果没有兴趣的驱动，很难坚持到最后。

出生于湖北的杨李林自幼就表现出对于自然科学的喜爱。杨李林回忆道，他从小就热衷于思考各种自然现象背后的规律，也喜爱阅读各类科普书籍。初中毕业时，理科成绩一向优异的他被全国理科实验班录取。当时那个实验班每年会在全国择优招收一百名学生，分成四个班，其中三个在北京，一个在上海。15岁的杨李林面临着一个艰难的抉择。选择进入理科实验班，意味着要远离家人和故乡，这对于小小的他来说是一个巨大的压力。

在父母的支持下，杨李林决定还是跟随自己的兴趣，来到了上海华东师范大学二附中，进入全国理科实验班，并在这里度过了快乐的三年。由于没有高考的压力，杨李林可以完全凭兴趣自由地选择修习的课程。他只花了一年时间便把高中的大部分课程自学完了。此后，借助华东师范大学的图书馆资源，他自学了许多大学的基础课程，阅读了包括数学、物理、化学、生物、计算机等专业的大量书籍。出于对物理学的兴趣，他还经常去上海复旦大学物理系旁听。这种开放式的学习模式让杨李林有了自由学习和接触各类专业课程的机会，大大开阔了他的视野，也无形中让他习得了科研的执著和坚毅。他后来对高能物理的热情即从此时开始逐渐萌芽。

1998年，杨李林进入北京大学物理系。在这里，未名湖的如画风光与物理世界的奇妙深奥都深深吸引着他。对物理研究的兴趣与热情让杨李林的天赋发挥到极致，专业课成绩始终名列前茅。通过这些课程，他得以全面地了解物理科学各个领域的基础知识和研究现状，并最终确定高能物理作为他探索的目标。2002年，杨李林选择留在本校理论物理研究所攻读博士。2007年博士毕业时，他再次面临人生的多重选择，经过艰难的思想斗争与全面考虑，杨李林决定出国继续从事科研工作。

不登高山，不知天之高也；不临深谷，不知地之厚也。杨李林深知，只有站在世界范围的坐标体系中，才能看清自己的位置；只有立足于国际学术前沿，才能真正提高自己的学术水平。2007年到2012年的五年间，杨李林先后在德国美因茨大学和瑞士苏黎世大学做博士后研究。这五年让他收获颇丰。此时的他已羽翼丰满，只待飞翔，在欧洲打下的学术基础，为他积蓄了足够的科研实力回国发展。

探索无尽的未知

2012年10月，杨李林接受北京大学物理学院的聘请，成为该校理论物理研究所的百人计划研究员。次年，他申请了中组部的青年千人计划项目，并于2014年获得通过。

也正是在2012年到2013年期间，LHC上的ATLAS和CMS实验组宣布了希格斯粒子这个振奋人心的发现。此时国内外的物理学家纷纷把工作的重心转向对于希格斯粒子性质的研究。特别是为了确定这个新粒子的性质是否与标准模型中的希格斯粒子完全吻合，还需要理论上和实验上的更多进展。

在北京大学这个对于杨李林来说既熟悉又陌生的地方，他很快适应了新环境，全身心地投入到研究工作中。与国内外的合作者一道，他继续在QCD、希格斯物理、顶夸克物理等方面发挥着自己的能量，做出了许多有国际影响力的工作。

对于未来，杨李林表示，虽然我们发现了期待已久的“上帝粒子”，但对于其性质还并不完全清楚，需要进一步去探索。此外，天文上对于暗物质的观测、中微子振荡等实验现象都对粒子物理的标准模型提出了挑战，而标准模型的理论本身也给出一些迹象表明它在更高的能量上可能并不完备。这些疑问，有可能可以在LHC上找到答案。2015年，LHC将在更高的能量上重新开始运行，与LHC物理相关的研究，特别是结合QCD理论和唯象学的研究，必然会越来越受到国际上的重视。在中国，LHC物理的研究正在逐渐形成一个由全国范围内很多学术单位所构成的一个研究群体。杨李林希望能以北京大学为依托，投入到这个群体中去，尽可能地贡献自己的力量。

不过，杨李林同时表示，对于理论物理尤其是高能物理来说，研究的道路可能会比较漫长。虽然在LHC上发现了希格斯粒子，但对于下一个新发现在什么时候产生，谁也无法预测，因此科研人员要特别耐得住寂寞。LHC还要再继续运行十多年，而人们已经在考虑未来建造更大规模的对撞机的可能性，这对于探索物理世界更为基本的规律是必须的。如果这样的对撞机能够建造在中国，势必将极大地带动中国的高能物理研究，使中国真正成为高能物理的世界中心。

探索的道路没有尽头，杨李林用自己的每一分每一秒，正一步步走在高能物理世界的探秘之路上。