粒子尺度的科研世界

马梦珂

寻找和研究宇宙基本粒子，高能对撞机是一个重要手段。20世纪60年代起，在高能对撞机的帮助下，大量理论上被预测的夸克、轻子、玻色子等基本粒子相继被发现，粒子物理学研究进展如火如荼。针对对撞机上的物理现象进行分析研究，对复杂的粒子物理理论进行数值计算与模拟，并将计算结果与高能物理实验的结果相比较变得愈加重要，这些需求促进了粒子物理唯象学的發展。

作为一门理论联系实验的学科，粒子物理唯象学的研究既要求研究者对粒子物理理论有整体的把握，还要清楚高能对撞实验，对研究者而言是一个不小的挑战。重庆大学物理学院“百人计划”研究员、博士生导师郭磊作为一名青年科研工作者投入粒子物理唯象学研究领域已经17年了。尽管前路艰难，阻碍重重，郭磊却义无反顾，十余年来潜心粒子物理唯象学研究，对最前沿的LHC以及将来的ILC、CEPC等对撞机物理做了相关研究，对Higgs物理、top物理、规范相互作用以及超出标准模型的新物理等展开了系列研究，取得了一系列重量级的学术成果。

新发现or新物理？

20世纪70年代，科学家们在杨振宁的非阿贝尔场论的启发下，创立了一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，清楚地给出了组成世界的基本单元（粒子）的信息，包括它们的种类、质量、电荷、自旋以及它们之间的相互作用。这一理论被称为标准模型（Standard Model，SM）。有研究者认为，标准模型的详细程度好比一个宾馆套间的“手册”，上面清楚说明了每一件物品的名称、种类、数量、位置等，从而使客人非常舒服地住在里面。

在过去的近半个世纪中，科学家们在实验中发现的所有粒子，都能在标准模型中找到对应的身份，并且其性质也与“手册”中的预测基本吻合。因此，标准模型被视为迄今为止在粒子层面理解自然的最佳理论，入选20世纪物理学的重大成就。

就在科学家们兴奋之余，也有丝丝隐忧。Higgs玻色子是物理学基本粒子标准模型理论中最后一种未被发现的基本粒子，其自旋为零，其他粒子在Higgs玻色子作用下产生质量，为宇宙形成奠定基础。迄今为止，标准模型预言的其他粒子都已发现，但Higgs玻色子的存在尚未在实验中证实。一旦研究证实Higgs玻色子不存在，“标准模型”理论将被推翻。数十年来，科学家们一直在苦苦寻找它的踪影，甚至称它为“被诅咒的粒子”（The Goddam Partical），只是阴差阳错间，被编辑改为“上帝粒子”（T h e G o d Partical），却意外地让它声名大噪。

2008年9月10日，欧洲大型强子对撞机初次启动进行测试。人们建造这座目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，其目的之一便是希望能够直接观测到Higgs粒子。念念不忘，必有回响。不到两年，2012年7月4日，参与欧洲核子研究中心（CERN）LHC实验的Atlas和CMS实验组，同时宣布在质量为125GeV附近发现了类标准模型Higgs粒子存在的证据。一时间，整个科学界为之轰动。

“这个125GeV粒子是否就是标准模型所预言的Higgs粒子，如果它不是标准模型Higgs，那确定它可能是什么新物理粒子，这也是非常重要的。”郭磊回忆，如果同时存在新的电弱对称性破缺，就会引入新的规范粒子，这些现象都需要在理论上给予精确研究。

是Higgs粒子，还是其他新物理粒子？这一切都有待进一步验证。

精确研究 理论支撑

Higgs粒子出现后，关于Higgs物理的相关研究，一直是粒子物理研究的最热门的课题。而除了Higgs物理以外，超出标准模型的新物理也一直是高能粒子物理研究的重要方向。这也是郭磊选定的研究方向。

在青年基金项目的支持下，郭磊所在团队对LHC实验上的Higgs寻找和性质研究做了大量细致工作。相关研究成果发表在Phys.Rev.D、JHEP等业内顶级期刊上，受到同行的关注。尤其是对LHC上T宇称守恒的小Higgs模型（LHT）中双重规范玻色子产生过程的研究，郭磊和团队首次给出了其精确到QCD次领头阶的结果，并研究了其末态粒子分布。文章发表后引起了Atlas实验组的重视，他们主动与郭磊团队联系，共同探讨在Atlas实验上探测LHT信号的具体细节。短短的两三年时间，郭磊对LHC实验上的Higgs及其性质等有了更加深入的理解，研究成果得到国内外同行的认可。

随着L H C上实验的不断进行，从Atlas和CMS实验组发表的结果来看，在 125-126GeV存在的新粒子跟标准模型Higgs粒子很相近，但是性质上也有一些偏离。特别是从主要的探测道双光子衰变道和四轻子衰变道的分支比偏离了标准模型预言。实验结果表明这个新粒子拟合结果，标准模型Higgs位于实验中心值的1σ以外、2σ以内。

因此，精确研究125GeV附近类标准模型Higgs粒子的具体性质，研究不同模型下Higgs粒子与其他粒子（top夸克和规范玻色子）的耦合，为实验探测和数据分析提供支持，是接下来的研究重点。此外，研究电弱破缺机制相关的规范粒子相互作用以及超出标准模型的新物理在LHC和其他加速器上探测到的可能，也是团队的重要任务。

在Higgs物理研究方面，郭磊团队有针对性地展开了系列研究，提出了针对性的解决建议，有力地促进了Higgs研究的逐步深入。针对实验对理论研究提出更高精度的要求，开发了能够计算矢量玻色子聚合（VBF）精确到次次领头阶过程的程序，并对程序进行模拟，发现了Higgs对产生过程和双Higgs二重态（2HDM）下轻中性Higgs对产生过程主要理论不确定性来源是PDF的不确定性。针对实验中急需的Higgs伴随顶夸克对产生的电弱辐射修正，得出了该修正精确测量需要予以考虑结论。针对Higgs与规范粒子的相互作用，得出了在未来实验探测上必须考虑次领头阶QCD修正及其对末态粒子分布的影响。虽然双Higgs产生过程仍没有可靠的实验分析数据，依然研究了在有效理论下其产生过程，并且给出了如何通过该过程来限制有效相互作用系数。

“作为与电弱破缺机制密切相关的规范玻色子，研究其相互作用是寻找超出标准模型新物理的最主要的间接途径之一。而为了能够在实验上探测到新物理，就必须对标准模型中的规范相互作用有足够精确的理解。”郭磊说道。为此，他所在的团队对LHC上多个规范相互作用过程进行了精确研究。在实验平台方面，通过对未来的ILC上WWr产生过程的研究，团队发现在阈值附近ISR的效应很大，不可忽略，而当对撞能量增大以后，ISR的影響迅速减小，甚至可以忽略。在精确研究规范粒子相互作用方面，发现相比已有的次领头阶QCD修正来说，次领头阶电弱修正对于总截面的影响并不大，只有3%？5%的水平，但是在微分截面上其明显改变了末态粒子的分布情况，所以如果按照实验要求对末态粒子进行事例筛选的话，电弱修正甚至可以达到与QCD修正相比拟的水平。此外，团队在Z物理相关过程的精确研究、四Z玻色子相互作用相关过程稿的标准模型本底、传递弱相互作用的W粒子研究等方面开展了系列研究，取得了一系列重要的研究成果。

标准模型是当前最成功的粒子物理模型，但自问世之初，科学家们就在想方设法地“推翻”它。终于，科学家们发现标准模型存在很多不足，存在不能提供暗物质粒子，也面临严重的精细调节等问题。

“现在，学界基本认为标准模型是一个在100GeV能标附近的一个低能近似，在更高能标上必然存在超出标准模型的新物理。”郭磊告诉记者。为此，他所在的团队对一些具体的新物理模型和某些有效理论进行了细致的研究。比如T宇称守恒的小Higgs模型（LHT）是其中一个非常有吸引力的模型。为了研究在LHC上直接探测到LHT模型的可能性，他们研究了LHT模型下LHC上重光子伴随一个重夸克，重夸克对产生，以及通过重Z玻色子对产生Higgs对的过程。这些过程都是LHC上寻找LHT信号的非常重要的探测道。特别是通过重Z玻色子对产生Higgs对过程提供了一个标准模型没有的Higgs对产生道，在一定参数下可以大大提高Higgs对产生的截面。团队还研究了大额外维模型（LED）下LHC上WWZ产生过程，在光子对撞机上探测新物理，超出标准模型的轻子味道改变过程等，对新物理做了积极有益的探索。

在过去几年里，郭磊所在的这支平均年龄30岁左右的研究团队攻坚克难，捷报频传。他们对高能对撞机上的Higgs物理及电弱破缺机制相关的物理现象进行了诸多研究。同时，完成了部分量子场微扰理论的计算方法改进和程序实现。在技术上，也对唯象计算方法和程序做了发展，从而获得了更加精确的物理结果。这些研究都取得了阶段性成果，在包括JHEP、Phys. ReV. D、Euro. Phys. Jour. C、J. Phys. G、Phys. Lett. B等国内外有影响力的期刊上，发表学术论文20余篇，受到国内外同行的认可。团队对LHC实验上多个Higgs过程进行的相关研究，再次引起了LHC实验ATLAS组的兴趣，共同探讨了在实验上进一步分析的可能，研究结果被运用到其实验分析中，为实验提供了理论上的支持。

从“零零班”到“百人计划”

1999年，18岁的郭磊以高分考入“零零班”。“零零班”又称“教学改革试点班”，始创于1985年，是中国科学技术大学在总结和吸收少年班办学成功经验的基础上创办的不分系科的理科实验班，注重学生早期科研能力、实践能力和创新能力的培养。

经过广泛的学习和自由的探索，郭磊发现自己对物理学，尤其是近代物理研究更感兴趣。中国科技大学向来是以高新技术和学术前沿为主，近代物理系更是拳头专业，赵忠尧、杨振宁等人们耳熟能详的大咖牛人曾执教于此，这里是学习物理学的理想院校。2003年，郭磊进入中国科学技术大学近代物理系，开启了粒子物理唯象学的研究之路。

粒子物理唯象学是高能粒子物理研究中必不可少的一部分，也是粒子物理研究较为复杂的一环。不仅需要对复杂的粒子物理理论进行数值计算与模拟，还要将计算结果与高能物理实验的结果相比较。通过比较各种细节，才能知道建立和完善模型需要满足哪些要求，或者某些特定模型取什么样的参数，参数设定在什么范围。大量的计算、各式各样的模型、超量的数据构成了学术研究的要素，读文献、算数据、反复验证是研究的日常。在科研工作中，为了研究四体末态过程的次领头阶修正，郭磊在国内首次开发了六点圈积分函数，这在当时国际上也属于前沿的计算方法。同时他完善了复制量圈积分公式，使不稳定粒子次领头阶修正的计算成为可能，并完成了与之相关的top物理研究工作。2008年，郭磊以“直线对撞机上四体末态过程的QCD修正研究”博士论文顺利获得博士学位。

2015年，在学术领域已经取得相当成就的郭磊入选重庆大学“百人计划”，开启了一段新的征程。几年时间里，他的研究团队已经初具规模，随着目前重味强子物理实验取得了重大突破，团队的研究方向也在重味强子方向进行了一系列的研究，也取得了阶段性的成果，为实验上探测和验证强子结构提供了理论基础。

物质由什么构成？内部是怎样运行的？为什么质量大不相同？这是自然科学中最基本的问题，也是科学家们求解了成百上千年的难题。也是吸引郭磊在粒子尺度的科研世界里不断探索、不断前进的魅力所在。这些问题的答案也许就会出现在不远的将来。