科技追梦人

    今年诺贝尔物理学奖被授予与希格斯玻色子（即“上帝粒子”）理论相关的两位科学家。每万亿次碰撞才能产生一个“上帝粒子”，科学家是如何从众多粒子中认准它的？在发现“上帝粒子”的过程中，有一位中国科学家——上海交通大学物理天文系教授杨海军的功劳，他和同事引入的数据分析方法起到了关键作用。

    一条漫长而艰辛的路

    尽管早在1964年，理论家就提出了存在希格斯玻色子的理论假设，但要在实验上直接探测到它却非常不易。

    谈到原因时，杨海军说，“上帝粒子”具有相当大的质量，这需要对撞机把粒子加速到足够高的能量并通过剧烈对撞才能产生。它产生的几率非常小，大型强子对撞机上大约每1万亿次质子—质子对撞才能产生一个。

    从理论提出到发现证实，探寻“上帝粒子”之路已走过半个世纪。早在上世纪90年代，寻找希格斯玻色子的工作在欧洲核子研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LEP）上就开始了。1998年，杨海军来到欧洲核子研究中心开展研究工作，他在LEP上的L3实验组，开始了对希格斯玻色子的寻找。这项工作由诺贝尔奖获得者、著名物理学家丁肇中领导。遗憾的是，实验证明LEP能量不够高，无法直接产生希格斯玻色子。

    “这无疑是一条漫长而艰辛的路，需要全世界科学家长期坚持不懈地为之努力。”杨海军说。2008年建成的LHC，也就是欧洲核子研究中心大型强子对撞机，是现在世界上最大、能量最高的质子粉碎机。实验装置总长26.7公里，总耗资约100亿美金。借助这台超级装置，两个拥有3000名研究人员的大型国际合作实验ATLAS和CMS经过艰苦卓绝的努力，在2012年7月从海量的实验数据中同时发现了希格斯玻色子存在的迹象。杨海军便是其中一员，他从2005年起参与LHC的ATLAS国际合作实验项目，是该实验组大批量实验数据处理的联络人之一。

    他与ATLAS同事在用BDT方法优化粒子筛选、测量希格斯玻色子的自旋和宇称、估计标准模型双玻色子本底的贡献和用单Z衰变到四轻子态共振峰来刻度希格斯玻色子的质量等方面作出了重要贡献。

    用最先进的方法证明“上帝粒子”的存在

    从理论预言到在实验上发现痕迹，再到对发现粒子冠以“疑似”的称呼，以及最后激动人心的确认……科学发现的严谨体现在了长期大量数据分析的求证过程，“上帝粒子”最终用了近半个世纪才被证实存在，背后是无数研究人员艰苦卓绝的工作和付出。

    “如果说建造世界上最大的大型强子对撞机是为了提高粒子能量，为希格斯玻色子的产生提供更大可能，那么，要想找到神秘的‘上帝粒子’，还必须有最先进的粒子鉴别算法在碰撞后进行鉴别筛选。 

    因为平均每1万亿次碰撞事例才能产生一个希格斯玻色子，碰撞后产生的粒子不仅数量多，种类也繁多，如果没有有效的粒子鉴别筛选方法，即使产生了希格斯玻色子，也将从我们眼皮底下溜过去。”杨海军介绍了筛选、发现、证实所需粒子的艰难。

    在发现并证实希格斯玻色子存在的过程中，一项名为“推进的决策树-BDT”的数据分析方法起到了关键性作用。而将这种先进的数据分析方法最早引入粒子物理领域的，正是杨海军和他在美国密西根大学的同事。2004年，他们率先将BDT方法用于美国费米国立加速器实验室的MiniBooNE实验，使得粒子鉴别效率比原有的人工神经网络方法有显著提高。他以第一作者或通讯作者发表了4篇系统研究BDT的论文。这几篇BDT论文对整个粒子物理学界以及相关暗物质和暗能量探测的实验数据分析，起到了重要的影响和推动作用。后来，在美国费米国立加速器实验室发现单顶夸克粒子，正是以BDT作为主要的数据分析手段。

    因为该方法在实际应用上的优越性能，接下来的近10年，世界范围内的众多大型粒子物理实验组和理论家已经广泛采用BDT方法作为主要的物理分析工具。

    而BDT方法在2007年被欧洲核子中心CERN的多变量数据分析软件包（TMVA）收录后，中心的ATLAS、CMS、LHCb 和ALICE等实验组也都开始使用BDT。最终，为证实希格斯玻色子的存在起到了关键性的作用。

    中国将在粒子物理领域有更大贡献

    在看到中国科学研究的快速发展，和对一流人才的渴求后，在国际顶级粒子物理实验室和世界一流大学磨练了十几年的杨海军决定回到祖国。

    他从美国密西根大学物理系来到上海，成为上海交通大学物理天文系教授、粒子物理学科带头人，最近还被任命为粒子物理宇宙学研究所副所长。“我期望能够在上海交大建立一支在国际上有影响力的高能物理实验团队，并以交大为基地，参与大型国际合作实验。”杨海军说。在他的推动下，上海交大已加入ATLAS国际合作组，开始了与数十所世界一流大学的紧密合作，共同致力于大型国际合作项目中前沿重大课题的研究。

    谈到中国在粒子物理领域的未来时，杨海军满怀期待地说：“中国将在这个领域有更大贡献。现在中国有很多科学家已经参与到了该领域最前沿的课题、最核心的工作，未来粒子物理的研究也一定不仅局限于欧洲和美国两个中心。这个领域的研究一定会在中国有个汇聚。”

    杨海军还介绍说，中国高能物理学界正提出在国内建造大型环形高能对撞机的设想，约50—70公里长，接近目前世界上最大对撞机LHC的两倍。

    “不过这段路可能会比较漫长，”杨海军说，“特别是大型基础科学研究周期非常长，耗资巨大。譬如一个大型对撞机实验从预研、建造、运行、升级，到数据分析等，周期在二三十年左右，需要国家层面大力的经费支持和一两代人坚持不懈的努力才有可能获得成功。如果这一宏伟设想能付诸实施，中国无疑将跻身高能对撞机物理尖端领域世界领先的行列，将对人类探索未知世界作出非常重要的贡献。”

    （科技日报上海10月16日电）