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第921期(总第921期) 2018年5月30日   本期四版  上一期  下一期  更多期次  
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双粲重子"藏宝图"



作者:校报记者团张喜栋袁晓纪 本报记者 任妍


  2018年初,国家科技部发布了“2017年度中国科学十大进展”,由清华大学高原宁教授率领的大型强子对撞机底夸克探测器(LHCb)中国科研团队“首次探测到双粲重子”成功入选并位列第三,兰州大学核科学与技术学院于福升副教授为该成果做出了重要的理论贡献。
  双粲重子的发现并不是一个容易的过程,反反复复经过了无数次的实验。高原宁教授说:“这一重大发现,将有助于我们理解构成这个世界的最基本的力。而这一突破性的成就,要感谢为此付出的每一位中国科研团队工作者。”他在给于福升的感谢信中写道:“于福升副教授在与合作者的研究中发现,双粲重子衰变到一个实验上易于探测到的过程有较大的分支比,这成为实验上发现双粲重子的最佳选择。在发现双粲重子的实验研究期间,于福升副教授应邀在LHCb合作组会议上做学术报告,对相关问题进行了广泛和深入的讨论,为实验研究提供了有益的建议”。
  “粒子物理学研究物质世界的基本组成单元,重子是其中非常重要的一部分,比如我们熟知的质子和中子,它们都是含有三个夸克的粒子。以往实验发现的重子要么都是由质量小的夸克组成,要么只含有一个质量大的夸克。粲夸克质量很大,此次发现的双粲重子是首次探测到由两个质量大的夸克组成的重子。”于福升介绍道:“双粲重子发现的意义之所以重大,是因为它能帮助我们更好的认识物质世界,理解物质的构成和强相互作用的本质。它的发现打开了新世界的大门,这也是近几年物理学界突破性的发现之一。”

                                     仰望星空

    微胖,短发,带着眼镜,俨然文化人模样,随时眯眼微笑着,学生看一眼他,都想和他多做一些交流……这是于福升在学生心目中的个人自画像。记者见到他时,他正双手插兜,很自然的靠在讲桌边,给慕名而来的学生和老师讲自己发现双粲重子的科研之美,讲到情深处,他还会小小的“自恋”一下,很自豪的等待台下的掌声和呼应。他喜欢物理,和他交谈,从他声音洪亮的讲话里就可以听得出他那份热爱的自信。
  4月12日,核科学与技术学院举行了一场关于发现双粲重子过程的报告会,学院2015、2016、2017级的大部分学生参加了此次报告会。于福升讲课自带体系,讲到精彩的地方,除了期待学生的掌声之外,他自己也会哄堂大笑。他给学生讲科研的重要性,科普课本之外的尖端研究。他也善于化繁就简,讲双粲重子,先给学生科普什么是粒子物理学,然后再说双粲重子,讲清楚了双粲重子,再说发现双粲重子的过程,顺次,他会拓展到科研工作者的重要性,会带热爱物理的学生走进粒子物理圣地——大型强子对撞机底夸克探测器。学生们听的很认真。听完讲座,大部分同学的反响是:于福升老师在课上与其说是一个老师,更不如说他像个孩子,保持着童真,活泼而有趣,“喜欢这样充满活力与激情的风格,讲座很像座谈会,大家就像朋友聊天一样,很自然,要是嗑着瓜子就更好了。”

兴趣是最好的老师。翻阅于福升的人生经历,可以发现他与物理结缘,真的是兴趣使然。他说生活中有很多巧合,别人的童年有喜欢画画的,有喜欢唱歌的……而他就喜欢看星空,喜欢数星星。一到假期,翻看天文学的小书成了他假期唯一的乐趣。他会一遍又一遍的去翻《十万个为什么》天文物理卷,他说那里能找到物理现象的原理。

现在,那个喜欢星空的少年成长为了一名物理研究者。

一波三折

    2012年,“上帝粒子”希格斯玻色子被发现后,标准物理模型的大块拼图已基本完成,但“在解决具体问题上还缺少一些细节,比如在重子中夸克之间是如何作用的,等等。”高原宁教授接受本报记者采访时表示,强相互作用是形成原子核等重要物质的最关键的力,分子、原子的质量90%以上都来源于强相互作用,而发现双粲重子,有助于让科学家们探索强相互作用在新的夸克构成之下,会有什么新性质,从而帮助我们加强对强相互作用的本质的理解。而这需要理论方案的可行性支撑,才能达到最佳实验效果。

    正是带着这样的问题,大型强子对撞机底夸克探测器研究团队开始了寻找双粲重子的过程,但这一过程并不顺畅。于福升回忆,当时实验家经过多次尝试,进展很不理想,他们很困惑,不知道要在哪个衰变过程中才可以探测到、才最容易探测,所以他们就向国内的理论家开始了求助。

    2016年春天,于福升接到了大型强子对撞机底夸克探测器研究团队的求助,他很快意识到这是一次难得的机遇,但挑战不小,“我能知道机遇很大,但不能预测挑战有多大”。经过反复调研发现,目前国内没有任何理论做过有关该课题的讨论。为什么呢?原因很简单,因为这个课题很难,挑战很大。双粲重子的测量之所以难,是因为重子的衰变在理论上一直很困难,因为夸克太多了,很难理解,而粲夸克衰变的理论方法很受限,现在并没有一种现成的方法去解释。这就要求于福升要找出一种方法既可以解释重子的衰变,又得解释好粲夸克的衰变,这在理论层次又是一座需要跨越的高山。于是,在没有任何经验的情况下,于福升开始了这样一个挑战,“刚接触的时候,碰壁很多。经过反复研究后,当第一个版本的结果真的出炉时,我很兴奋,以为自己成功了。”于福升说,但实验家告诉他,这一版本成果对于实验几乎没有用,原因是第一版里的过程大多实验测不了。

    这无疑是个不小的打击。与实验家相比,理论物理研究者较为欠缺实验知识,这是不得不承认的事实。为此,他选择了主动走进实验室,主动多学,与中国科学院大学物理科学学院何吉波研究员等团队成员探讨、交流、反复比较……花了很长时间,他把之前的成果和学习到的内容进行了整合和改变,出了第二版的结果。实验家们表示第二版进步很大,但于实验测量而言还不够完美,同时提出了新的要求:“理论上对于重子的两体衰变,也就是重子衰变到两个末态粒子过程是比较容易计算的,三体及三体以上的就很难处理了。但是实验上探测三个、四个甚至五个带电的末态粒子都没问题,关键是总的衰变分支比大,实验家们希望不要局限在重子的两体衰变过程。”

    困难陡然增大。但面对这样难得的机遇,他选择了硬着头皮做下去。于是,他在这一次过程中融入了更多特别的方法,终于把三个末态,四个末态,五个末态,几乎所有的可能的情况都给预言了一遍,最终给出了第三个版本,而且在第三个版本中专门标注出哪个过程是实验探测双粲重子的最佳选择,并向实验家做了相关报告。“反复、比较、锤炼,这一次终于对了!很快的,实验家们花了一个礼拜就做出来了结果,用我们建议的过程发现了首个双粲重子,解决了困惑了十多年的难题”,于福升讲到这里松了口气。

    成果是非常喜人的。于福升的方法提前了人类找到双粲重子的进度。何吉波研究员评价:“于福升老师是一个理论和实验知识兼优,且又懂得沟通的合作者,他的研究成果就好比寻找宝藏的藏宝图,帮助我们用最恰当、最有效的方法找到了双粲重子。而如果我们一开始就有这张藏宝图,我们则可能在2013年就发现双粲重子。”

思考助力

    在于福升看来,他的成绩不是封闭科研空间的产物。他说,人生的每一段经历都很深刻,但要学会去总结经验,无论是成功还是失败,都要去总结经验。“对待生活和科研,我的态度是以饱满的热情迎接每一天生活,以高度的激情对待每一项科研。对生活对工作都要有激情,生活才会丰富多彩,科研也会越做越开心。”

    他是有名的工作狂,但他也很会调节。了解他的人,知道他会花足够多的时间去钻研,但这不会影响他的生活。因为他会在该陪家人孩子的时候就停下工作,而在工作的时候就高效率的去做,“只做科研难免单调枯燥,生活可以让人充满更多的能量。做科研需要思考,而在生活中很多事情就可以锻炼思考力。”

    他喜欢在工作之余读史书,他说读书可以锻炼人的思考力,读史书时就会引发很多思考,会带动自己的思维方式,扩展思路,这在科研中是很受用的。除了读书,他还喜欢爬山,他从小在海边长大,从小喜欢看大海,但毕业来到大西北后,他喜欢上了大山,他常爬兰山,说爬山很锻炼身体,而且在山顶俯视大地,能使人心胸开阔。

    他鼓励学生多沟通、讨论、辩驳,鼓励学生培养独立的思考。他的教学,以学生为中心。他说,上课就要想以什么样的方式让学生听懂,不能光想着把所有的知识点讲到,还要让学生听懂,而要知道学生有没有听懂就需要多与学生交流。于福升鼓励学生与他讨论和辩驳,他希望学生们有觉得不对的地方能打断他,去反驳他。他说只有在这种最困惑的时候解答了,学生才能醍醐灌顶,恍然大悟。

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