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用创造力超越我们眼见的世界

来源:  发布时间:2016-06-06

  
——记上海交通大学物理与天文系特别研究员王伟
  
本刊记者 杜月娇

  
  
  天地玄黄,宇宙洪荒,日月盈昃,辰宿列张。这是一个超越了我们眼见的世界,人类从诞生之日起就对它充满了好奇,人们相信,对它了解得越多,就会越接近宇宙起源的秘密,这就是粒子物理学。
  在粒子物理学的深层次探索活动中,粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算技术的应用与不断发展,既带来了粒子物理本身的进展,也促进了人类整个科学技术的发展。从科学发展趋势来看,粒子物理学的研究仍将会是一个十分活跃的领域。
  目前,粒子物理可以由一个被称为标准模型的理论所描述。在这个框架中,基本粒子由自旋为1/2的6种夸克和6种轻子以及传递相互作用的中间玻色子组成,最后一个基本碎片则是不久前才被发现的希格斯玻色子。用以区分6种夸克的是一种被称为味道的量子数,其中一种夸克的质量较重,且又可以形成稳定的强子束缚态,这就是底夸克(b),形成的介子态被命名为B介子,与之相关的物理则称为B物理。当前,在B介子实验中检验标准模型和寻找新物理存在的信号与证据已成为粒子物理研究中的重要组成部分,B物理也成为粒子物理学家十分关注的领域。
  在2015年6月4日英国《自然》杂志出版的一篇粒子物理学报告称,科学家在欧洲核子研究中心(CERN)地下的大型强子对撞机(LHC)中,检测到了中性B介子粒子极为罕见的一种衰变模式。自标准模型预测这种衰变,物理学家已寻找该衰变过程的证据超过了30年,此次新的观测结果证实了标准模型做出的预测,亦对可能的新物理进行了严格的限定。科学家希望,在LHC和即将运行的超级B工厂上进行的新实验可以准确探究这种衰变的特性。
  B介子衰变的研究是上海交通大学物理与天文系特别研究员王伟的主要工作之一,他长期从事重味物理和CP破坏(宇称和电荷共轭变换)方面的研究,同时也拓展到强子物理及大型强子对撞机上量子场论计算等方面。2015年,他作为项目负责人申请了国家自然科学基金项目“大加速器时代B介子衰变的精确计算”,这一项目将有助于进一步提升我国在国际重味物理研究中的影响力,为获得决定性的成果奠定更为坚实的基础。
  
瞄准B物理研究中的关键问题
  
  目前,粒子物理的研究已进入大型强子对撞机(LHC)时代。我国则在进一步且高瞻远瞩地考虑LHC完结之后的未来对撞机走向,讨论兴建包括环形正负电子对撞机、Z工厂、tau-charm工厂,甚至能量高达100TeV的质子对撞机。这些对撞机的成功兴建和运行可以大大提升我国的科学研究水平,并可能造成世界高能物理研究中心的转移。
  B介子衰变是测量夸克混合矩阵元(CKM),检验粒子物理标准模型,理解因子化定理,寻找电荷共轭—宇称联合变换(CP)对称性破坏机制的理想场所。在2012年ATLAS和CMS实验组发现希格斯粒子之后,粒子物理研究的一个重点便是寻找超出标准模型的新粒子。两个互补的研究方向是在高能量前沿直接寻找和在高精度前沿间接探测。在标准模型中,B介子衰变特别稀有,因此它对新物理特别敏感,人们可以通过B物理中的高精度实验来探测新物理效应,达到寻找新粒子或限定其参数空间的目的。
  1999~2011年,位于美国和日本的两个B介子工厂获得了巨大的成功,两个实验组BaBar和Belle收集到了约2000兆B介子事例,精确测量了B介子系统中的CP破坏,这为两位日本物理学家Kobayashi和Maskawa获得2008年度诺贝尔物理学奖提供了实验支持;它们还测量了上百个衰变道的物理观测量。2008年,坐落于欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)正式运行,B物理研究正是其中的重要组成部分:LHCb实验组专门从事B物理实验研究,现已取得了丰硕的实验成果,另外ATLAS和CMS亦收集了大量b夸克的实验数据。未来的Super-KEKB实验拟把亮度提高100倍,提升为超级B工厂Belle-II,预期将于2016年投入运行,继续从事B物理研究工作。目前,我国正在自主筹划下一代对撞机:环形正负电子对撞机和超级Z工厂,届时将会产生大量且干净的b夸克事例。在这些物理实验的强劲支持下,B物理在未来一段时间内仍将会是一个重要的热点方向。
  理论上精确预言B介子衰变所遇到的最大问题是计算涉及强相互作用的衰变矩阵元,目前缺乏从第一原理性出发的处理方法,这给检验标准模型和探测新物理效应带来了不可避免的困难。强子过程必定牵涉非微扰的量子色动力学(QCD)机制,无论是用于检验粒子物理的标准模型,或探索标准模型之上的新物理,都必须针对其中蕴含的非微扰机制,先进行精细的探讨与处理。微扰量子色动力学的主要想法是将对撞过程中的非微扰机制,透过严谨的量子场论程序,抽离并纳入强子分布函数;理论的重点在证明分布函数具普适性(universality),可以采用非微扰方法分析。同时计算B介子衰变也还是一个多标度问题,利用算符乘积展开和重整化群的方法,可以将高于b 夸克质量能标的物理吸收到短程系数中。针对不同物理体系,人们已提出了一些唯象模型,并创立并发展了一批因子化方案。在这些理论框架内,降低理论计算误差和提高理论计算精度的理论进展具有非常重要的学术价值。
  “大加速器时代B介子衰变的精确计算”项目将在现有工作基础上,瞄准B物理研究中的一些关键问题,包括计算微扰论高圈图贡献,限定非微扰输入参数,寻找新的研究过程,限定新物理模型参数等方面,力争取得一些实质性的突破。
  
创新突破科研瓶颈
  
  国际上LHCb实验已发表了关于B物理的丰硕结果,数年后位于日本KEK超级B工厂Belle-II也将开始运行,B物理已迈入高精确度纪元。而在理论上虽已探索二十余年,重味物理中仍存在许多未解的难题或机制,理论架构并不完备,缺少次要贡献及B介子多体衰变的分析方法,欲从重味衰变过程中发掘新物理的踪迹,理论预言和实验数据的精确度都必须进一步提升。
  低能标下强作用耦合常数很大,经典微扰理论不再适用。B介子衰变中,初末态强子化所带来的不确定性使得人们几乎没有办法模型无关地去计算,给抽取CP破坏参数和限定新物理模型带来了严重的困难,形成B物理研究中的一个主要“瓶颈”。长期从事重味物理和CP破坏(宇称和电荷共轭变换)的王伟希望可以通过自己的经验积累找到“瓶颈”的突破口。
  王伟主持的“大加速器时代B介子衰变的精确计算”项目的出发点是尽量精确的计算强子矩阵元,减少其中的不确定性。该项目将建立类似于对撞机物理的数据库,填补微扰QCD方法下两体B介子非轻衰变系统研究的空白,简化理论计算的复杂度。将所有强子的分布振幅以Gegenbauer多项式参数化,b夸克衰变振幅树图、企鹅图及费曼图分类,利用现有的数据拟合所有的Gegenbauer参数,建立B介子衰变的数据库后,藉由衰变道选择相关b夸克衰变振幅的自动化机制,实验学家只需输入欲测量的衰变道,即可估计对应的物理量,有助于数据的分析。初期的精确只达到领头阶,日后将随PQCD理论的进展,逐步改进数据库的精确度,精确度提升之后,配合LHCb和Belle II的丰富数据,即有可能辨识B介子衰变中的新物理讯号。
  在“大加速器时代B介子衰变的精确计算”项目之前王伟及其团队已经有了一定的经验积累。
  2009年王伟于中国科学院高能物理研究所获得博士学位,博士论文题目是《两体B介子衰变和P波粒子在B衰变中的产生》。目前已在本领域国内外学术期刊上共发表SCI论文60多篇,被引用1300多次。其中两篇文章发表在《物理评论快报》,一篇为少见的独立作者文章,另一篇为通讯作者之一。多次应邀在国际会议上报告成果进展,受到国际学术期刊杂志IJMPA邀请撰写综述性文章。2013年被评选为欧洲物理杂志的首届杰出审稿人。
  王伟的研究团队长期与国内外同行处于同一起跑线上,在微扰QCD方法,软共线有效理论的应用,非相对论量子色动力学和光锥求和规则等方面有较多的贡献。实际上重味物理是国内高能物理界的传统强项,无论在理论或实验方面皆有充沛的研究人力,也获致具有国际影响力的学术成果。目前已经形成了一支整体实力强,具有一定国际影响力的研究队伍。
  “大加速器时代B介子衰变的精确计算”项目的主要研究内容为两体B介子非轻衰变的系统研究;三体B介子非轻和四体B介子半轻衰变;重味稀有衰变中的新物理贡献;Bc纯轻辐射衰变过程的研究,除此之外,王伟的科研团队还将继续追踪最新的实验进展,对感兴趣且重要的实验结果给出唯象分析和解释,并做出一些可以做判据性的预言。
  “大加速器时代B介子衰变的精确计算”项目的特色是紧密结合LHCb、超级B介子工厂等高能物理实验,根据实验研究和理论发展的需要,选择重味物理研究中亟待解决的几个关键问题,做深入、系统的研究,提高理论计算精度,获得有重要学术价值的成果。项目组将在标准模型理论框架下,发展非微扰量子色动力学的新方法,提高强子矩阵元计算的准确度;在新物理模型框架下,重点研究B介子的混合与衰变过程的新物理修正,为通过高精度的B物理实验发现新物理存在的信号或者证据提供理论依据。该项目的顺利实施,将促进理论学家和实验学家在这个领域的合作,提升我国科研人员在B物理和微扰量子色动力学领域的影响力,也有助于实现上海交通大学建设一个国内领先世界一流的粒子物理理论研究中心之长远目标。
  1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》的结尾曾充分流露出了物理学家们对粒子物理终极前景的渴望,他这样写道:“天空中出现了一道炫目的光芒,一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下,也可能是在斯特拉?温斯基的短笛独奏《春之祭》中,天空中的光慢慢地变成了上帝的脸,微笑着,但带着极度甜蜜的悲伤表情。”我们希望王伟等物理学家的研究结果终有一日可以拂去上帝脸上那淡淡的悲伤。
  
  
作者简介:
  王伟,上海交通大学物理与天文系特别研究员、博士生导师。从事重味物理和CP破坏(宇称和电荷共轭变换)并拓展到强子物理及大型强子对撞机上量子场论计算等方面的研究。2004年本科毕业于山东大学物理学院, 2009年于中国科学院高能物理研究所获得博士学位。2009年至2010年在意大利核物理研究院巴里分部(INFN)做博士后特别研究员,随后在德国电子同步加速器研究所(DESY)做洪堡学者。2012年10月开始在波恩大学核物理与辐射研究所从事博士后研究工作。
  在Physical Review Letters, Physical Review D, Physics Letters B, Journal of High Energy Physics, European Physics Journal A/C等本领域国际、国内权威学术期刊上共发表SCI论文50多篇,被引用1000多次。其中两篇文章发表在顶级刊物Physical Revi Letters,一篇为独立作者文章,另一篇为通讯作者之一。2007年,发表文章被评为“2008年中国百篇最具影响国际学术论文”。作为审稿人,受到European Physics Journal C杂志的嘉奖,2013年被评为欧洲物理杂志杰出审稿。作为评审专家,被土耳其科学和技术研究委员会邀请评审2012年度青年科学家奖项。
  

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2024年5月

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