在浩瀚的粒子物理學(xué)里默默耕耘——記山東大學(xué)物理學(xué)院教授祝成光

本刊記者　曹曉旭

在浩瀚的粒子物理學(xué)里默默耕耘——記山東大學(xué)物理學(xué)院教授祝成光

本刊記者曹曉旭

專家簡(jiǎn)介：

祝成光，理學(xué)博士，山東大學(xué)物理學(xué)院教授，從事高能物理物理分析，探測(cè)器設(shè)計(jì)和高能物理實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)研究。1999年～2005年，為ATLAS實(shí)驗(yàn)合作組研制TGC探測(cè)器；2005年至今，利用ATLAS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究top物理和尋找暗物質(zhì)。

人類對(duì)于生活于其中的世界充滿好奇，從最小的物質(zhì)組成部分到廣袤的宇宙空間，無數(shù)的未知奧秘等待著人類的發(fā)掘。粒子物理學(xué)家嘗試使用粒子的概念去理解物質(zhì)的存在方式和他們之間的聯(lián)系，發(fā)展了完整的粒子物理理論去解釋最小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及宇宙的演化。

山東大學(xué)物理學(xué)院教授祝成光認(rèn)為，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)世界的唯一方法。隨著粒子探測(cè)器的發(fā)展和各種粒子物理實(shí)驗(yàn)的開展，關(guān)于粒子世界的層層神秘面紗必將被一一揭開。

推動(dòng)我國(guó)新型探測(cè)器的發(fā)展

ATLAS實(shí)驗(yàn)是LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）上的大型粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，主要目的是在實(shí)驗(yàn)中尋找粒子物理界已廣泛接受的“上帝粒子”—希格斯粒子，同時(shí)在目前能量最高的粒子對(duì)撞中探索未知的粒子物理知識(shí)。非常幸運(yùn)的是2012年ATLAS實(shí)驗(yàn)和CMS實(shí)驗(yàn)各自觀測(cè)到了希格斯粒子的存在，2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了希格斯機(jī)制的提出者彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特。

祝成光從1999年進(jìn)入粒子物理領(lǐng)域讀研究生開始，即加入了ATLAS合作組，籌備建設(shè)ATLAS實(shí)驗(yàn)。LHC將兩束質(zhì)子加速到光速的99.99999％，然后送到ATLAS探測(cè)器的中心對(duì)頭碰撞，四處飛濺的高速末態(tài)粒子的路徑和能量由含有幾萬個(gè)探測(cè)器模塊，上億信號(hào)道的ATLAS探測(cè)器記錄下來。ATLAS組成部分之一是在線觸發(fā)系統(tǒng)，其作用是在粒子對(duì)撞后以極快的速度（幾個(gè)微秒）判斷該次對(duì)撞是否是有價(jià)值的對(duì)撞，是否采集數(shù)據(jù)。作為山東大學(xué)技術(shù)負(fù)責(zé)人，祝成光帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)五年，建立了設(shè)備完善、功能齊備的探測(cè)器實(shí)驗(yàn)室，首次把TGC技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，革新了30多項(xiàng)傳統(tǒng)工藝技術(shù)，大幅度提高了探測(cè)器的穩(wěn)定性，研制了400臺(tái)TGC探測(cè)器，安裝在ATLAS探測(cè)器上，完成了觸發(fā)系統(tǒng)的安裝、整合和刻度，為希格斯粒子的研究奠定了基礎(chǔ)。

TGC探測(cè)器的成功，推動(dòng)了山東大學(xué)在該學(xué)科的快速發(fā)展，獲得了國(guó)際認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，祝成光成功建設(shè)了可以精確測(cè)量宇宙線中的通用宇宙線探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)，為探測(cè)器在大學(xué)的研究和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，并在國(guó)內(nèi)開展的大型宇宙線觀測(cè)站LHAASO實(shí)驗(yàn)，ASγ實(shí)驗(yàn)以及美國(guó)布魯海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室STAR實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用，為山東大學(xué)在國(guó)際合作中爭(zhēng)得一席之地。

實(shí)驗(yàn)過程中，祝成光意識(shí)到，在近飽和高壓模式下運(yùn)行的TGC探測(cè)器雖然擁有良好的時(shí)間性能，但同時(shí)也有其局限性。位置分辨和計(jì)數(shù)率較低，發(fā)展TGC探測(cè)器的全面性能將有利于該探測(cè)器在粒子物理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在國(guó)家基金委重大國(guó)際合作項(xiàng)目的支持下，祝成光針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行多次改良，進(jìn)行了多個(gè)版本的探測(cè)器樣本的建造和多次束流測(cè)試，最終將TGC的位置分辨率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)數(shù)率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。一個(gè)適應(yīng)性更廣、性能更加優(yōu)良的新型TGC探測(cè)器就此誕生，它被列為2018年ATLAS實(shí)驗(yàn)觸發(fā)系統(tǒng)升級(jí)改造的新型探測(cè)器。

擁有十余年探測(cè)器方面的研究經(jīng)驗(yàn)，祝成光在探測(cè)器的設(shè)計(jì)、測(cè)試、定型以及觸發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了我國(guó)新型探測(cè)器的研究以及國(guó)際合作。

和導(dǎo)師何瑁教授在一起

丁肇中教授訪問山東大學(xué)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室參觀

學(xué)海無涯，科研無止境

目前粒子物理學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是由基本粒子組成，top夸克則是所有基本粒子中最重的粒子。相比于其它夸克而言，針對(duì)top夸克的研究尚未深入.在ATLAS試驗(yàn)中研究top夸克將是人類了解自然界的一個(gè)重要的途徑。由于夸克禁閉效應(yīng),夸克無法單個(gè)存在于真空中，科學(xué)家無法真正的去研究一個(gè)“裸夸克”的性質(zhì)。然而由于top夸克壽命極短，在top夸克和其他夸克形成強(qiáng)子之前就會(huì)衰變。因而，其“裸夸克”的性質(zhì)將有可能在實(shí)驗(yàn)上被觀測(cè)到。祝成光與小組成員使用ATLAS數(shù)據(jù)以5倍sigma的顯著度證實(shí)了top夸克自旋關(guān)聯(lián)效應(yīng)的存在，證明了其“裸夸克”短暫存在的特點(diǎn)。這為將來使用top夸克自旋開展物理研究提供了第一次實(shí)驗(yàn)上的證據(jù)。

學(xué)海無涯，科研亦無止境。在科學(xué)家的眼中，始終存在前瞻意識(shí)。宇宙中暗物質(zhì)的存在得到諸多實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)，人類卻不能“一睹芳容”。粒子物理學(xué)界認(rèn)為暗物質(zhì)可能是一種全新的未知粒子，如果能在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到該粒子，物理學(xué)將向未知領(lǐng)域邁出了一大步。目前國(guó)際上直接觀測(cè)宇宙中暗物質(zhì)粒子實(shí)驗(yàn)隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展如雨后春筍般出現(xiàn)。然而LHC卻可以自己“產(chǎn)生”暗物質(zhì)粒子，這使ATLAS實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)粒子尋找中可以獨(dú)辟蹊徑。因此祝成光正在全力ATLAS實(shí)驗(yàn)中開展暗物質(zhì)粒子的尋找工作。

隨著中國(guó)在國(guó)際科學(xué)舞臺(tái)上的發(fā)揮的作用越來越大，像祝成光一樣的中國(guó)的科學(xué)工作者們正在不倦追求新方法、新技術(shù)，在物理研究的潮流中努力耕耘，不斷進(jìn)取。