周寧：破解暗物質中的謎團

本刊記者　杜月嬌

周寧：破解暗物質中的謎團

本刊記者杜月嬌

當“暗物質”頻繁成為大熒幕上的主角，當越來越多的普通人為這神秘的概念折服，最新的Planck衛(wèi)星觀測結果告訴我們，暗物質真真切切地存在著，我們的宇宙中約5%的質量來自于可見物質，而約27%的質量來自于暗物質，剩下的來自于暗能量。對這大量存在的暗物質，我們到底了解多少？“我們推測暗物質應該是中性、非相對論性的，并且應該滿足觀測的殘留密度要求。大型對撞機上能夠模擬宇宙初期的環(huán)境，也就有可能產生出暗物質粒子?！敝軐幗陙淼难芯恐攸c就在于抽絲剝繭地探尋暗物質的真相。

冉冉新秀

一年前，周寧還在美國加州大學爾灣分校做博士后?！爱斈憧吹秸麄€宇宙中的各種復雜的現象，都可以通過最基本的物理理論描述出來，就會覺得這是很神奇很美妙的事情?！闭劦綇氖露嗄甑牧Ｗ游锢?，周寧說。

周寧對粒子物理產生興趣是在大學期間。1999年，周寧考進南京大學理科強化班。強化班推行通識教育，前兩年，周寧要學習天文、化學、物理、數學、生物等基礎知識，大三才真正開始定向，繼而學習更專業(yè)和深入的知識?！按笕龝r，我上了一門粒子物理課?！痹谶@門課上，周寧發(fā)現整個世界可以分為四種相互作用——強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用；而基本粒子就那二三十種?！翱瓷先ヌ貏e簡單，但是把整個物理學都包含進去了。當然，并不是說這幾種相互作用就可以解決物理學所有問題，還有大量未知的東西是它們無能為力的。這些未知吸引著我走進物理世界?！?/p>

2003年9月，周寧本科畢業(yè)后即赴美國哥倫比亞大學物理和天文系學習，并在隨后的7年中拿到碩士和博士學位。“粒子物理在過去的幾十年里取得了重大的進展，并建立了一系列實驗去發(fā)現新的粒子和精確測量，尤其是最近在LHC（大型強子對撞機）上發(fā)現的Higgs（希格斯）粒子, 逐步驗證了標準模型理論。但是宇宙中仍然存在很多重大問題，而標準模型不能給出解釋?！敝軐幰龅木褪峭ㄟ^對新物理模型的搜尋去找到解答這些問題的線索。博士和博士后期間，他參加了兩個大合作組實驗，即“ATLAS實驗和D0實驗”。

ATLAS實驗，是歐洲核子中心大型強子對撞機LHC上的四個大型探測器之一。而D0實驗，是世界上運行能量第二高的質子—反質子對撞機Tevatron上的兩大探測器之一，位于美國費米實驗室。用周寧的話說，無論是LHC還是Tevatron，都不是傾一國之力能夠完成的，在美國那些年，他所加入的都是上千人規(guī)模的國際大合作組織?！拔覀兊膶W習方式就是把人扔進大團隊，在那里學習如何找到自己感興趣的研究方向、遇到困難懂得找到相關專家請教、在大團隊里怎樣去組建自己的小團隊等，關鍵就是合作?！比缤诖蠼蠛永飳W習游泳，難，但依然要堅持。在不斷的學習和研究中，周寧逐步確定了暗物質尋找這個研究課題。

弱相互作用的重粒子（WIMP）是一個很重要的暗物質候選，能夠自然地滿足宇宙中暗物質殘留密度要求。然而其性質決定了探測器不能直接測量其能量或動量。只能通過WIMP和一些標準模型粒子在對撞機上伴隨產生的過程，此時探測器上會留下缺失橫向能量的信號，引導出一系列Mono-X反應道。周寧參與和領導了ATLAS上首次暗物質尋找，包括Mono-jet，Mono-photon和Mono-W。在這些尋找中，他將對撞機對WIMP模型的限制轉化為另外兩種模式——暗物質直接探測實驗中暗物質和核子散射截面的限制，暗物質間接探測實驗中暗物質湮滅的限制，從而將暗物質的3個尋找方向——對撞機尋找、直接探測和間接探測有機結合在一起。在Mono-W反應道上，周寧負責Mono-W和Mono-Z的強衰變道分析，其中的難點之一在于如何重建強衰變的W和Z玻色子。他采用了一個大半徑的噴注去解決這一問題，成為ATLAS中首個應用噴注內部結構信息的分析之一。除了暗物質，他還首次將這個尋找結果轉化成希格斯子不可見衰變的限制。因為在暗物質方面的貢獻，周寧擔任了一屆ATLAS暗物質和噴注相關新物理組的召集人，負責協調十幾個分析工作，并為LHC再次運行的數據分析組建研究團隊。

不論如何，能夠在ATLAS上開創(chuàng)一系列的暗物質尋找，對于“80后”周寧來說，已經是一個不小的成績。在這兩項代表性工作之外，周寧在雙電子雙光子共振態(tài)和ATLAS電磁量能器研究上也有不俗的表現。因為在費米實驗室的Tevatron對撞機的D0探測器中尋找Randall－Sundrum理論預言的重引力子，周寧成為該方向的召集人，而早在2007年，他就被授予45期粒子物理國際學校新秀獎。

務實地追求未來

“暗物質不發(fā)光，也沒有電磁波輻射，我們是靠引力相互作用發(fā)現它存在的?！敝軐幷f。與粒子物理完美描述對撞機實驗所展現的物理現象不同，暗物質是在宇宙早期高溫高密度的極端條件下產生的，由于今天的對撞機能量還不能達到這樣的條件，實驗室還沒辦法找到暗物質粒子。雖然在國外時，周寧對3種形式的暗物質探測均有涉獵，但他還是希望回國后側重點放在對撞機尋找和直接探測上。

“國內近年來對暗物質研究特別重視，在項目支持上也更多?！闭劦交貒鴷r，周寧的答案無比實在?！笆嗄陙恚议L期在ATLAS實驗上做工作，對其中的情形比較熟悉，也建立了比較多的合作聯系。清華大學天體物理中心也在直接探測上有發(fā)展意向，我就選擇到清華任職?！?014年，他入選青年“千人”計劃；2015年6月，正式到崗。對他來說，這既是從頭開始，也是站在曾經的基礎上去尋找更高的目標。

2015年夏天，L H C在升級后再次開始運行，對撞能量達到了13T e v，并將持續(xù)運行至2018年中，計劃采集100fb-1的數據。在周寧看來，這使得暗物質的搜尋范圍進一步擴大，而這個從未探索過的能量區(qū)域講給他們帶來一個發(fā)現新物理的新契機。“質子質子對撞產生出大量強子，其在ATLAS探測器中形成噴注（jet）。其中由B強子形成的b-jet是許多物理分析中重要的組成部分，例如希格斯子和頂夸克等標準模型粒子的精確測量以及包括暗物質在內的眾多新物理尋找。無論從哪一方面，我們都需要深刻理解ATLAS探測器上采集到的數據和進一步提高粒子的鑒別和標識?！痹缭诨貒埃軐幘驮诳紤]這個問題了。

作為曾經的A T L A S奇異物理組b-tagging聯絡人，周寧負責過奇異物理組與b-tagging組在高動量區(qū)域的協作，對該領域的發(fā)展有著深刻的認識，并在2015年初向ATLAS b-tagging研究組提出了物理需求，推動了b-tagging組逐步開展了高動量區(qū)域性能的優(yōu)化，研究引起了A T L A S合作組的廣泛重視?！拔覝蕚渫ㄟ^ATLAS實驗繼續(xù)和暗物質以及新物理尋找相關的研究，開展b-tagging研究，也是為了尋找暗物質在對撞機上的產生機制Z’新粒子。”周寧也希望能夠借此為自己尚在建設中的團隊打下基礎。

“最重要的品質是誠實”

如果非要問周寧過去科研生涯中最深刻的事，他的答案一定是合作?！拔覀冎白鰧嶒灒枰獜暮迫鐭熀５臄祿坷镎页鑫覀冃枰男盘?，這還不算完，關鍵還要理解其背景有多少，這才是最難的?！碑斎涣耍谥軐幯劾?，難的并非是分析本身。這就要從ATLAS的合作機制說起了。

ATLAS的實驗，全世界獨此一家，因此合作組特別依賴于內部審核，也就是說一個幾個月可以拿出來的分析結果要先上交暗物質組初審，再遞交奇異物理組，再遞交大合作組。要一個結果得到數千人認可，實在是一個漫長的過程，“一年”已經是正常的實驗分析周期了?！白铍y忘的就是得到合作組認可的那一刻?！敝軐幐锌?，“一個需要大合作的工作，最重要的品質就是誠實。不管結果多差，只有坦誠地說清楚，不掩蓋問題，才能使研究順利進行，才能讓自己更快地進步?！?/p>

回國不到一年，周寧已經感受到身上的擔子?！安辉傧癫┦亢髸r期只要做好研究就行，現在要招收學生、要申請項目、家里孩子也還小……很多事情要忙，都很重要，都要做好?！?/p>

然而忙碌的周寧精氣神卻很足，2016年，他招收的兩位研究生也要到他身邊了，他已經計劃好以后會積極派遣學生們赴歐洲核子中心參加合作，和國內外專家做好合作，推動暗物質和新物理尋找工作向前發(fā)展，并迅速帶動清華大學高能物理團隊在ATLAS奇異物理組和b-tagging組占有一席之地。他將為這個目標而努力。