本刊记者　杜月娇

　　
　　
　　当“暗物质”频繁成为大荧幕上的主角，当越来越多的普通人为这神秘的概念折服，最新的Planck卫星观测结果告诉我们，暗物质真真切切地存在着，我们的宇宙中约5%的质量来自于可见物质，而约27%的质量来自于暗物质，剩下的来自于暗能量。对这大量存在的暗物质，我们到底了解多少？“我们推测暗物质应该是中性、非相对论性的，并且应该满足观测的残留密度要求。大型对撞机上能够模拟宇宙初期的环境，也就有可能产生出暗物质粒子。”周宁近年来的研究重点就在于抽丝剥茧地探寻暗物质的真相。
　　
冉冉新秀
　　
　　一年前，周宁还在美国加州大学尔湾分校做博士后。“当你看到整个宇宙中的各种复杂的现象，都可以通过最基本的物理理论描述出来，就会觉得这是很神奇很美妙的事情。”谈到从事多年的粒子物理，周宁说。
　　周宁对粒子物理产生兴趣是在大学期间。1999年，周宁考进南京大学理科强化班。强化班推行通识教育，前两年，周宁要学习天文、化学、物理、数学、生物等基础知识，大三才真正开始定向，继而学习更专业和深入的知识。“大三时，我上了一门粒子物理课。”在这门课上，周宁发现整个世界可以分为四种相互作用——强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用；而基本粒子就那二三十种。“看上去特别简单，但是把整个物理学都包含进去了。当然，并不是说这几种相互作用就可以解决物理学所有问题，还有大量未知的东西是它们无能为力的。这些未知吸引着我走进物理世界。”
　　2003年9月，周宁本科毕业后即赴美国哥伦比亚大学物理和天文系学习，并在随后的7年中拿到硕士和博士学位。“粒子物理在过去的几十年里取得了重大的进展，并建立了一系列实验去发现新的粒子和精确测量，尤其是最近在LHC（大型强子对撞机）上发现的Higgs（希格斯）粒子, 逐步验证了标准模型理论。但是宇宙中仍然存在很多重大问题，而标准模型不能给出解释。”周宁要做的就是通过对新物理模型的搜寻去找到解答这些问题的线索。博士和博士后期间，他参加了两个大合作组实验，即“ATLAS实验和D0实验”。
　　ATLAS实验，是欧洲核子中心大型强子对撞机LHC上的四个大型探测器之一。而D0实验，是世界上运行能量第二高的质子—反质子对撞机Tevatron上的两大探测器之一，位于美国费米实验室。用周宁的话说，无论是LHC还是Tevatron，都不是倾一国之力能够完成的，在美国那些年，他所加入的都是上千人规模的国际大合作组织。“我们的学习方式就是把人扔进大团队，在那里学习如何找到自己感兴趣的研究方向、遇到困难懂得找到相关专家请教、在大团队里怎样去组建自己的小团队等，关键就是合作。”如同在大江大河里学习游泳，难，但依然要坚持。在不断的学习和研究中，周宁逐步确定了暗物质寻找这个研究课题。
　　弱相互作用的重粒子（WIMP）是一个很重要的暗物质候选，能够自然地满足宇宙中暗物质残留密度要求。然而其性质决定了探测器不能直接测量其能量或动量。只能通过WIMP和一些标准模型粒子在对撞机上伴随产生的过程，此时探测器上会留下缺失横向能量的信号，引导出一系列Mono-X反应道。周宁参与和领导了ATLAS上首次暗物质寻找，包括Mono-jet，Mono-photon和Mono-W。在这些寻找中，他将对撞机对WIMP模型的限制转化为另外两种模式——暗物质直接探测实验中暗物质和核子散射截面的限制，暗物质间接探测实验中暗物质湮灭的限制，从而将暗物质的3个寻找方向——对撞机寻找、直接探测和间接探测有机结合在一起。在Mono-W反应道上，周宁负责Mono-W和Mono-Z的强衰变道分析，其中的难点之一在于如何重建强衰变的W和Z玻色子。他采用了一个大半径的喷注去解决这一问题，成为ATLAS中首个应用喷注内部结构信息的分析之一。除了暗物质，他还首次将这个寻找结果转化成希格斯子不可见衰变的限制。因为在暗物质方面的贡献，周宁担任了一届ATLAS暗物质和喷注相关新物理组的召集人，负责协调十几个分析工作，并为LHC再次运行的数据分析组建研究团队。
　　不论如何，能够在ATLAS上开创一系列的暗物质寻找，对于“80后”周宁来说，已经是一个不小的成绩。在这两项代表性工作之外，周宁在双电子双光子共振态和ATLAS电磁量能器研究上也有不俗的表现。因为在费米实验室的Tevatron对撞机的D0探测器中寻找Randall－Sundrum理论预言的重引力子，周宁成为该方向的召集人，而早在2007年，他就被授予45期粒子物理国际学校新秀奖。
　　
务实地追求未来
　　
　　“暗物质不发光，也没有电磁波辐射，我们是靠引力相互作用发现它存在的。”周宁说。与粒子物理完美描述对撞机实验所展现的物理现象不同，暗物质是在宇宙早期高温高密度的极端条件下产生的，由于今天的对撞机能量还不能达到这样的条件，实验室还没办法找到暗物质粒子。虽然在国外时，周宁对3种形式的暗物质探测均有涉猎，但他还是希望回国后侧重点放在对撞机寻找和直接探测上。
　　“国内近年来对暗物质研究特别重视，在项目支持上也更多。”谈到回国时，周宁的答案无比实在。“十余年来，我长期在ATLAS实验上做工作，对其中的情形比较熟悉，也建立了比较多的合作联系。清华大学天体物理中心也在直接探测上有发展意向，我就选择到清华任职。”2014年，他入选青年“千人”计划；2015年6月，正式到岗。对他来说，这既是从头开始，也是站在曾经的基础上去寻找更高的目标。
　　2015年夏天，LHC在升级后再次开始运行，对撞能量达到了13Tev，并将持续运行至2018年中，计划采集100fb-1的数据。在周宁看来，这使得暗物质的搜寻范围进一步扩大，而这个从未探索过的能量区域讲给他们带来一个发现新物理的新契机。“质子质子对撞产生出大量强子，其在ATLAS探测器中形成喷注（jet）。其中由B强子形成的b-jet是许多物理分析中重要的组成部分，例如希格斯子和顶夸克等标准模型粒子的精确测量以及包括暗物质在内的众多新物理寻找。无论从哪一方面，我们都需要深刻理解ATLAS探测器上采集到的数据和进一步提高粒子的鉴别和标识。”早在回国前，周宁就在考虑这个问题了。
　　作为曾经的ATLAS奇异物理组b-tagging联络人，周宁负责过奇异物理组与b-tagging组在高动量区域的协作，对该领域的发展有着深刻的认识，并在2015年初向ATLAS b-tagging研究组提出了物理需求，推动了b-tagging组逐步开展了高动量区域性能的优化，研究引起了ATLAS合作组的广泛重视。“我准备通过ATLAS实验继续和暗物质以及新物理寻找相关的研究，开展b-tagging研究，也是为了寻找暗物质在对撞机上的产生机制Z’新粒子。”周宁也希望能够借此为自己尚在建设中的团队打下基础。
　　
“最重要的品质是诚实”
　　
　　如果非要问周宁过去科研生涯中最深刻的事，他的答案一定是合作。“我们之前做实验，需要从浩如烟海的数据量里找出我们需要的信号，这还不算完，关键还要理解其背景有多少，这才是最难的。”当然了，在周宁眼里，难的并非是分析本身。这就要从ATLAS的合作机制说起了。
　　ATLAS的实验，全世界独此一家，因此合作组特别依赖于内部审核，也就是说一个几个月可以拿出来的分析结果要先上交暗物质组初审，再递交奇异物理组，再递交大合作组。要一个结果得到数千人认可，实在是一个漫长的过程，“一年”已经是正常的实验分析周期了。“最难忘的就是得到合作组认可的那一刻。”周宁感慨着，“一个需要大合作的工作，最重要的品质就是诚实。不管结果多差，只有坦诚地说清楚，不掩盖问题，才能使研究顺利进行，才能让自己更快地进步。”
　　回国不到一年，周宁已经感受到身上的担子。“不再像博士后时期只要做好研究就行，现在要招收学生、要申请项目、家里孩子也还小……很多事情要忙，都很重要，都要做好。”
　　然而忙碌的周宁精气神却很足，2016年，他招收的两位研究生也要到他身边了，他已经计划好以后会积极派遣学生们赴欧洲核子中心参加合作，和国内外专家做好合作，推动暗物质和新物理寻找工作向前发展，并迅速带动清华大学高能物理团队在ATLAS奇异物理组和b-tagging组占有一席之地。他将为这个目标而努力。