——记上海交通大学物理与天文系教授杨海军
本刊记者  廖潇莎

　　 从1994年LHC项目的批准，设计到建造，这项耗资百亿美元的庞大工程终于历经14年，于2008年正式建成。在短短的4年时间后，2012年7月欧洲核子研究中心（CERN）在大型强子对撞机（LHC）实验中（ATLAS和CMS）发现了期待已久的希格斯玻色子，也就是人们所熟知的“上帝粒子”。
　　 “从提出‘上帝粒子’这个理论到现在，将近半个世纪。成千上万的科学家为此而奉献，很多科学家遗憾地离开。我参与研究‘上帝粒子’十几年，能亲自在实验中看到它的存在，感觉这辈子都值了。”身为上海交通大学对撞机实验组负责人的杨海军感到无比欣慰和自豪，因为他为这一划时代的伟大发现贡献了一份力量。

追寻上帝粒子的足迹

　　 1998年，时年24岁的杨海军通过中国科学院高能物理研究所和瑞士联邦理工学院(ETH, Zurich，导师Martin Pohl教授)联合培养到欧洲核子研究中心（CERN）的L3国际合作组攻读博士学位，2000年获得粒子物理与原子核物理博士学位。2000～2012年，他在美国密歇根大学物理系任博士后和研究员时就展露出突出的科研能力。2004～2009年期间，他作为美国密歇根大学研究小组的项目负责人(PI)参与美国费米国立加速器实验室的MiniBooNE中微子振荡实验，研究成果被美国物理联合会评为2007年度十大物理学进展之一。
　　 超群的科研禀赋，为杨海军追寻上帝粒子赢得了成功的机会。而他最早开始追寻上帝粒子始于2000年，他当时来到欧洲核子研究中心从事博士后研究工作，在LEP对撞机上的L3实验组，开始了对希格斯粒子的寻找。这项工作由诺贝尔奖获得者、著名物理学家丁肇中教授领导。然而，在当时，遗憾的是，实验证明LEP对撞机能量不够高，无法直接产生希格斯粒子，后来，为了给现在的LHC腾出对撞环和实验区而关闭了。
　　 实际上，从1964年开始，科学家就孜孜不倦地设计各种实验来观测和证实存在“上帝粒子”这一大胆的理论预言。
　　 杨海军早年曾在美国费米国立加速器实验室做过研究。他告诉记者，当时，Tevatron对撞机也把目标瞄准希格斯。对撞机的能量足够高，也能直接产生希格斯粒子和在实验数据中看到希格斯的踪迹，但是实验信号的统计显著性不够高。Tevatron实验的对撞能量和产生希格斯粒子的能力远远不及LHC实验，因此在2011年9月费米实验室决定关闭了Tevatron。
　　 终于，2008年9月，在瑞士和法国交界地区地下100米深处的周长为27公里的环形隧道里，大型强子对撞机安装完毕。这是人类有史以来规模最庞大、能量最高的质子对撞机。借助这台超级装置，两个各自拥有3000余名研究人员规模的大型国际合作实验ATLAS和CMS同步进行。全球80多个国家近万名科学家和工程师蓄势待发，参与大型强子对撞机实验。
　　 2005年开始，杨海军参与到LHC的ATLAS国际合作实验项目中，2009～2013年成为ATLAS实验组大批量实验数据处理的联络人之一，负责Monte Carlo模拟数据和实验对撞数据的处理，用于后继的物理分析。同时，他还直接参与希格斯衰变到四轻子“黄金衰变道”的数据分析发现了希格斯粒子。“这无疑是一条漫长而艰辛的路，需要全世界的科学家为之努力，而且需要长期坚持不懈。”杨海军非常清楚这项研究的未知和艰难。

贡献数据分析的关键一环

　　 2012年，英国理论物理学家彼得·希格斯与比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒因希格斯粒子的理论预言获得2013年诺贝尔物理学奖。虽然获奖者只有两人，但这项庞大的工作是在全球科学家通力协作才能完成的，这其中的中国力量不容小觑。
　　 “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，建造大型的探测器是为了把所有碰撞后产生粒子的信息都准确地记录下来；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歇根大学的同事。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。

证明希格斯场的存在

　　 “上帝粒子”是用来解释世间万物质量起源的，是物理学界最重大的问题之一。杨海军说：“科学家的研究有很多领域有浅显的，也有繁琐深奥的。我希望可以挑战自己，用我的一生去攻克一个难题。”这个难题，恐怕就起源于“上帝粒子”。
　　 杨海军说，粒子物理标准模型理论内在的对称性要求基本粒子是无质量的，但是在实验上我们观察到绝大部分基本粒子具有质量。因此，对于粒子质量的来源，理论和实验观察之间存在非常尖锐的矛盾。为了解决这一棘手难题，三个相互独立的研究小组（F. Englert and R. Brout; P.W. Higgs; G. Guralnik, C. Hagen, and T.W.B. Kibble)于1964年分别提出了一种机制来解释对称性破缺这一问题。一旦把这个想法纳入到理论公式中，电弱相互作用对称性破缺机制将使基本粒子获得质量。彼得·希格斯明确指出，该机制的成立需要有一个当时未知的粒子存在，现今我们称之为希格斯玻色子。
　　 杨海军告诉记者，根据目前的理解，所有粒子在宇宙大爆炸刚发生后都是无质量的。随着宇宙的冷却、温度降低到某一临界值，一种无形的场——“希格斯场”开始形成，并充满整个宇宙空间。基本粒子，譬如W±和Z0玻色子，通过与希格斯场相互作用获得质量，粒子与场之间相互作用越强，粒子获得的质量就越重。
　　 那么，希格斯场是怎么做到让很多粒子带上质量的？有一个经典的比喻：假设将充满真空的希格斯场变成崇拜偶像的粉丝们，这些粉丝充满了一个大厅。现在，物质粒子进场，这些粒子有些是贵族，有些是名人，其中，还有一位是英国女王。也许英国女王最有名，最值得粉丝们求合影求签名，她在这个大厅的行进速度最慢，从而质量最大。其次可能是某些足球明星，他行进的速度比女王稍快，再其次是其他名人。所以，物理粒子因为被希格斯场“缠”上了，才有了质量，例如电子。类似于光子是电磁场的量子，希格斯玻色子是希格斯场的量子。因为不能直接观察到希格斯场，所以，科学家们利用大型强子对撞机实验（LHC）来产生和观测希格斯玻色子，进而证明希格斯场的存在。
　　 杨海军向记者详细描述了证明希格斯场存在的意义。他说，希格斯场的存在不仅保持了电弱相互作用理论的内在对称性，而且也解释了我们在自然界中观察到的对称性破缺现象。如果没有用于产生基本粒子质量的希格斯场存在，所有的粒子都将以光速运动，原子、分子无法形成，我们所熟知的物理世界也将不复存在。

成就大加速器的梦想

　　 希格斯粒子的发现堪比人类登月的伟大发现，令无数科学家欢欣雀跃，因为这预示着高能物理又一黄金时代的到来。杨海军也表示：“‘上帝粒子’的发现使人类对自然界的认识有了质的飞跃，但仅仅是个开端，我们所知的不过是冰山的一角，其背后还隐藏着无数深奥的秘密。我们还将继续投入到‘上帝粒子’的研究当中去。”
　　 2012年，杨海军在国际顶级的高能物理实验室和世界一流的大学学习和工作了十多年后，决定回国发展，期望在上海交通大学建立一支在国际上有影响力的高能物理实验团队，参与大型国际合作实验。在他的推动下，上海交大已经加入了ATLAS国际合作组，开始了与数十个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。
　　 在他看来，研究“上帝粒子”将是一个漫长而艰辛的历程。他回国的初衷明确而清晰，“我们这代人现在能做的，就是希望在中国推动和建立一个世界级的高能物理研究中心，培养一大批优秀人才，为下一代能在高能物理最前沿做出重大贡献搭建平台，为他们种一棵能乘凉的大树。”30年前，国家领导人选择建立北京正负电子对撞机使得中国从零起步到在世界高能物理学界占有一席之地。在国力快速上升的今天，我们能否为未来规划更加宏伟的蓝图，使得中国在30年后成为世界高能物理学界的主导者和基础物理研究的引领者？
　　 在希格斯粒子发现的这座里程碑后，世界高能物理学界开始思考今后基础物理学的研究方向，而中国科学家也开始综合考虑重大科学前沿目标，尖端技术革新、创新型人才培养和国家大科学装置远景规划等多方面因素，大胆提出了在中国本土建造下一代大型正负电子对撞机作为“希格斯工厂”的设想，之后再改造成世界上能量最高的超级质子质子对撞机。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，是当今世界上最大对撞机LHC的2～3倍。如若实现，将大量制造希格斯粒子来精确研究其性质，深入研究基本粒子质量的起源，探索超出标准模型的新物理，为未来基础物理学指引方向。正如2004年诺贝尔物理学奖得主David Gross所说，“现在中国有一个很好的机会在自然科学基础研究方面起领导作用……我把这个梦想叫做‘中国大加速器（The Great Accelerator）’，这会和长城一样引人瞩目，但会比长城作用更大。”
　　 在追寻粒子物理这条神秘的道路上，杨海军富有激情并坚持笃定。高中时曾悬挂于教室的屈原诗句“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”至今都让他深有感触，领悟其内涵。他说：“攀登科学高峰之路是何等艰难和漫长，但这并不妨碍科学家追求真理、揭示自然界奥秘的勇气和决心。”