2012年，歐洲粒子物理實驗室——歐洲核子中心（CERN）宣布找到了希格斯玻色子，這一自旋為零的粒子也被稱為“上帝粒子”，賦予了基本粒子質(zhì)量，某種意義上塑造了宇宙中的萬物。自此，粒子物理學(xué)進入了新時代。

“發(fā)現(xiàn)它是為了解決標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，對上帝粒子的發(fā)現(xiàn)意味物理學(xué)家當(dāng)初選擇解釋微觀世界物理機制的理論框架被驗證了?！爆F(xiàn)在任職于上海交通大學(xué)李政道研究所的李數(shù)當(dāng)時是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究生，也是大型強子對撞機（LHC-ATLAS/CMS）國際合作實驗發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”時中國研究團隊中的一員，“在很長一段時間內(nèi)，人們堅信希格斯粒子的存在，但并不知道希格斯粒子如何存在，以及它與其他粒子之間怎么發(fā)生作用。”

2022年是“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)十周年。《自然》雜志2022年7月發(fā)布的《“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)十周年：已知的和未知的》稱，自2012年以后，歐洲核子中心在瑞士日內(nèi)瓦近郊的大型強子對撞機（LHC）團隊就格外忙碌，先后共發(fā)表了近350篇關(guān)于希格斯玻色子的科研論文，但該粒子的許多屬性仍然成謎。

李數(shù)與與ATLAS國際合作組（ATLAS和CMS在2012年共同發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子）亮點成果墻報合影（2018）。

李數(shù)長期從事高能量前沿的粒子物理實驗研究，對希格斯的發(fā)現(xiàn)與性質(zhì)研究、矢量玻色子散射電弱稀有過程的發(fā)現(xiàn)、希格斯新物理探針與超標(biāo)準(zhǔn)模型新物理研究作出重要貢獻，并因此入選2022年“上海科技青年35人引領(lǐng)計劃”。

粒子物理實驗賦予人類觀測微觀宇宙第一視角

“粒子物理是一門關(guān)于時間、空間和能量的科學(xué)，致力于解鎖物質(zhì)最基本的微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用規(guī)律?！崩顢?shù)介紹道，高能對撞機粒子物理實驗為人類探索未知提供了強大武器。

“天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究表明，目前的宇宙來自138億年前的大爆炸。我們通過高能對撞機中粒子的劇烈對撞來模擬大爆炸初期的高溫高能狀態(tài)，從而研究高能微觀粒子的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其相互作用，對撞機實驗賦予了人類造物主的第一視角，模擬并探索著人類自己創(chuàng)造的微觀的宇宙?！崩顢?shù)說。

“粒子物理作為一門聯(lián)系著極大與極小世界奧秘的基礎(chǔ)學(xué)科，其研究面對跨越多個時間與空間尺度的極端物態(tài)和實驗條件，致力于探秘物質(zhì)構(gòu)成之謎、宇宙形成與演化的奧秘、引力、暗物質(zhì)暗能量之謎等重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的答案。”

談及當(dāng)前粒子物理領(lǐng)域在探索中的重要問題，李數(shù)滔滔不絕，“包括構(gòu)成我們身體的這些粒子，只占到宇宙萬事萬物總量的5%而已，剩下95%是什么，人類現(xiàn)在還一無所知。比如宇宙中那些非真空的區(qū)域，其中充斥的物質(zhì)是普通物質(zhì)還是一些未知物質(zhì)？”

暗物質(zhì)和暗能量是目前粒子物理研究領(lǐng)域的兩大熱點。2022年9月，上海交通大學(xué)攜手《自然》（Science）雜志發(fā)布了《全世界最前沿的125個科學(xué)問題》，其中就涉及暗物質(zhì)。

“對于暗物質(zhì)的探測正在全球范圍內(nèi)如火如荼開展，我們也在嘗試以全新的視角去另辟蹊徑。通過分析人類已知的基本粒子，我們發(fā)現(xiàn)除了構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子外，對于傳遞基本作用力的傳播子的研究同樣重要?！?/p>

“除了引力效應(yīng)外，是否還存在傳遞暗物質(zhì)作用力的新媒介傳播子？”李數(shù)認為，這是研究者在探索暗物質(zhì)過程中不可回避的一個重要問題?！斑@個傳遞暗物質(zhì)相互作用力的媒介粒子就是我們所要尋找的暗光子。”李數(shù)說。

目前，基于上海本土的大科學(xué)裝置——“上海硬X射線自由電子激光裝置”，李數(shù)所在的上海交通大學(xué)李政道研究所正與物理與天文學(xué)院合作推動“暗光計劃 （Dark SHINE）”。該實驗將是國內(nèi)首個電子打靶尋找暗光子的實驗，開辟暗物質(zhì)探測的“新賽道”。“尋找與研究暗光子或能揭示前所未有的第五種基本作用力?！崩顢?shù)說。

此外，李數(shù)認為，發(fā)現(xiàn)新東西并不是粒子物理研究的唯一目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)已有東西的偏離，也是新物理可能存在的間接證據(jù)?！熬拖?022年粒子物理領(lǐng)域研究熱點之一的‘基本粒子W玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)言值有差距’，這個差距意味著什么？是不是測量錯誤，還是由于實驗精度？還是有些因素沒有考慮清楚導(dǎo)致測量偏差，這些都是需要我們?nèi)z驗、去求索的。你測量一個東西得到一個不同的結(jié)果，那么也意味著發(fā)現(xiàn)了一個存在的間接證據(jù)。雖然我們暫時不知道為什么，但我們知道這里面一定有問題、存在著亟待探索以便確認或證偽的“未知”，指引下一步研究方向。如果最終發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟愐郧暗闹R大廈根基被破壞了，恰恰能夠激勵我們在一個更廣的認知框架下去重塑我們既有的理論，就好像歷史上“第一次數(shù)學(xué)危機”時，人類發(fā)現(xiàn)根號二無法用分?jǐn)?shù)去表示后，才有了無理數(shù)，從而把數(shù)學(xué)的邊界大大的擴展了?！?/p>

基礎(chǔ)科學(xué)的意外之喜

在李數(shù)看來，粒子物理領(lǐng)域的探索過程不僅僅是為了滿足人類解鎖宇宙奧秘的好奇心、挑戰(zhàn)人類認知極限，在不斷完善實驗條件、提高實驗技術(shù)與方法的過程中，也實現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)對于國計民生、戰(zhàn)略需求的回饋。實際上，在互聯(lián)網(wǎng)誕生之初、超導(dǎo)磁儲能、強子治療、醫(yī)學(xué)成像、增強現(xiàn)實等眾多研究領(lǐng)域，背后都有粒子物理等基礎(chǔ)研究的支撐。

“只有更加了解粒子和物質(zhì)的存在以及它們的性質(zhì)，人類才有機會去利用它們。”李數(shù)舉例說，“比如人類是在發(fā)現(xiàn)了原子核的聚變和裂變規(guī)律后，才有了能量的概念，進而嘗試去控制核裂變以實現(xiàn)核能發(fā)電?！崩顢?shù)認為，當(dāng)下人們似乎過于將應(yīng)用科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的邊界劃得太清楚了，事實上大可不必。在他看來，基礎(chǔ)科學(xué)決定物理大廈本身是否牢固，雖然不立竿見影，但歷史上每一次基礎(chǔ)研究的認知突破都會給應(yīng)用科學(xué)帶來意外之喜。應(yīng)用科學(xué)要實現(xiàn)大的突破，一定要有基礎(chǔ)科學(xué)的支撐?；A(chǔ)科學(xué)的實驗也依賴于應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。

上海交通大學(xué)李政道研究所“李政道學(xué)者”（T.D. Lee Fellow）李數(shù)與實驗室儀器設(shè)備合影。

“基礎(chǔ)科學(xué)實驗中需要科研儀器，我們就要關(guān)注目前人類能夠掌握的技術(shù)有哪些可以為我們所用，這時就和應(yīng)用科學(xué)有了交集。伴隨著研究過程的發(fā)展，我們也會促使已有的一些技術(shù)知識得到進一步發(fā)展。舉例說，上個世紀(jì)80年代末的歐洲核子研究中心，因為實驗過程中數(shù)據(jù)量很大，研究人員不能每天拿著3.5英寸軟盤到處拷數(shù)據(jù)，在這種情況下人們就很自然地有了互聯(lián)網(wǎng)思維，最早的互聯(lián)網(wǎng)雛形便在這無心插柳中于1989年誕生在粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)研究中。”李數(shù)說，對于做基礎(chǔ)科研的人員來說，技術(shù)的突破有利于實驗的推進，實驗過程中實現(xiàn)的技術(shù)突破也將會反哺應(yīng)用科學(xué)。

“比如人的身體也是由粒子組成的，當(dāng)我們對于基本粒子的控制技術(shù)達到一定的成熟階段，便可以應(yīng)用于醫(yī)療，譬如通過放射性定點查殺癌細胞，治療癌癥可能不需要開刀切腫瘤，而是可以將粒子打入人體里幫助消除腫瘤。這件事如果只靠醫(yī)生在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)技術(shù)范圍內(nèi)去探索，肯定不可能那么容易想到的。但粒子物理的研究者告訴醫(yī)學(xué)研究者有這樣一個可能性，那么雙方就會有交集，看似沒有直接應(yīng)用價值的基礎(chǔ)科學(xué)也就有用了。”

從“《三體》迷”到首位“李政道學(xué)者”

早在2014年底，著名物理學(xué)家李政道向黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人建議在上海交大建立一個國際化的科學(xué)研究所，對標(biāo)1921年成立、對量子力學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的玻爾研究所，從事物理和天文方面最前沿科研。在國家相關(guān)部委和上海市等各方大力支持下，李政道研究所于2016年11月在上海交通大學(xué)成立。2017年，李數(shù)在美國杜克大學(xué)物理系和歐洲核子研究中心結(jié)束博士后研究工作后，被聘任為首位“李政道學(xué)者”（T.D. Lee Fellow）入職上海交通大學(xué)李政道研究所。

在談到最初踏上粒子物理的研究道路時，李數(shù)說道，這個選擇其實是多個因素共同促成的，其中之一就是他在安徽泗縣中學(xué)讀初中時的物理老師。

“我的中學(xué)物理老師有一個習(xí)慣，他講課時會多說幾句課本知識之外的內(nèi)容。比如講到電現(xiàn)象，他除了講課，還會告訴我們電流怎么形成?！边@讓他中學(xué)時即對物理產(chǎn)生了強烈興趣。

中學(xué)畢業(yè)，李數(shù)考入聞名已久的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班（也是由李政道先生建議創(chuàng)辦），開始較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)近現(xiàn)代的一些物理學(xué)知識?！爱?dāng)時學(xué)校有一個很好的制度，即大一不分專業(yè)。這就給了我們更多自由度，我可以花時間在科普讀物乃至于一些高階物理知識的閱讀學(xué)習(xí)上。”這些都讓李數(shù)樂在其中。

除了知識的學(xué)習(xí)之外，李數(shù)特別提到2003年就開始閱讀《科幻世界》，提到大學(xué)時最早閱讀到連載版及后續(xù)正式版《三體》中蒙特卡洛方法與三體運動模擬、低維展開與智子鎖定、降維打擊與黑暗森林法則等給他帶來的智慧的共鳴與靈魂的震撼?！叭w往小了說是三個基本粒子，往大了說是三個星球、三個宇宙、三個平行世界……”這些內(nèi)容讓李數(shù)對粒子物理有了朦朧的印象和興趣。

李數(shù)認為，粒子物理關(guān)系到了人類對于微觀世界奧秘的基本認知?！拔視x擇粒子物理，一定程度上受了《科幻世界》的影響，還有一個臨門一腳的事情，那時是歐洲核子研究中心大型強子對撞機取數(shù)的前一年，“一個超級大規(guī)模的龐然大物要開始運行了，宇宙的很多奧秘就要被解鎖了，我當(dāng)然想成為其中的一員、想成為那個開鎖的人，就很自然地在那個節(jié)骨眼上選擇了這樣一條道路。”

“粒子物理的研究某種程度上也滿足了我一點小小的執(zhí)著之心，因為類比于其他的基礎(chǔ)科學(xué)研究方向，我仍想去用人類自己的第一視角去模擬、創(chuàng)造并探索一個雖不完美，但充滿著無限的未知與夢想的宇宙?！?/p>

對比做學(xué)生時和做學(xué)者時的科學(xué)研究理念差異，李數(shù)表示，現(xiàn)在他的肩上除了夢想有了更多的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。以前總想做自己感興趣的東西，去攻克一些科學(xué)難題，現(xiàn)在對他來說更重要的是把自己對科學(xué)的這份熱情以及科學(xué)觀價值觀、追逐自然奧秘的精神傳遞給年輕一代的學(xué)生?！耙粋€人的智慧和精力總是有限的，我們有責(zé)任為更年輕一代的學(xué)生播下科學(xué)夢想的種子和探索未知的勇氣，為人類文明的持續(xù)進步奉獻中華文明未來科技之光。也許一個真正厲害的老師，不在于他發(fā)過什么文章，甚至都不在于他是否獲得諾貝爾獎，而是他培養(yǎng)的學(xué)生都想成為他、并且都超越了他。我希望我能努力成為‘這個他’?！?/p>

附：李數(shù)簡歷

圖片來源：上海交通大學(xué)李政道研究所官網(wǎng)

（編者注：本文系澎湃科技與上海科技聯(lián)合推出的“正自廣闊：上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃追光報道”系列之一。敬請垂注更多后續(xù)報道。）