周寧：破解暗物質(zhì)中的謎團(tuán)

本刊記者　杜月嬌

周寧：破解暗物質(zhì)中的謎團(tuán)

本刊記者杜月嬌

當(dāng)“暗物質(zhì)”頻繁成為大熒幕上的主角，當(dāng)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(jié)果告訴我們，暗物質(zhì)真真切切地存在著，我們的宇宙中約5%的質(zhì)量來自于可見物質(zhì)，而約27%的質(zhì)量來自于暗物質(zhì)，剩下的來自于暗能量。對這大量存在的暗物質(zhì)，我們到底了解多少？“我們推測暗物質(zhì)應(yīng)該是中性、非相對論性的，并且應(yīng)該滿足觀測的殘留密度要求。大型對撞機(jī)上能夠模擬宇宙初期的環(huán)境，也就有可能產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子。”周寧近年來的研究重點(diǎn)就在于抽絲剝繭地探尋暗物質(zhì)的真相。

冉冉新秀

一年前，周寧還在美國加州大學(xué)爾灣分校做博士后。“當(dāng)你看到整個(gè)宇宙中的各種復(fù)雜的現(xiàn)象，都可以通過最基本的物理理論描述出來，就會(huì)覺得這是很神奇很美妙的事情。”談到從事多年的粒子物理，周寧說。

周寧對粒子物理產(chǎn)生興趣是在大學(xué)期間。1999年，周寧考進(jìn)南京大學(xué)理科強(qiáng)化班。強(qiáng)化班推行通識教育，前兩年，周寧要學(xué)習(xí)天文、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、生物等基礎(chǔ)知識，大三才真正開始定向，繼而學(xué)習(xí)更專業(yè)和深入的知識。“大三時(shí)，我上了一門粒子物理課。”在這門課上，周寧發(fā)現(xiàn)整個(gè)世界可以分為四種相互作用——強(qiáng)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。“看上去特別簡單，但是把整個(gè)物理學(xué)都包含進(jìn)去了。當(dāng)然，并不是說這幾種相互作用就可以解決物理學(xué)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(jìn)物理世界。”

2003年9月，周寧本科畢業(yè)后即赴美國哥倫比亞大學(xué)物理和天文系學(xué)習(xí)，并在隨后的7年中拿到碩士和博士學(xué)位。“粒子物理在過去的幾十年里取得了重大的進(jìn)展，并建立了一系列實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)新的粒子和精確測量，尤其是最近在LHC（大型強(qiáng)子對撞機(jī)）上發(fā)現(xiàn)的Higgs（希格斯）粒子, 逐步驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型理論。但是宇宙中仍然存在很多重大問題，而標(biāo)準(zhǔn)模型不能給出解釋。”周寧要做的就是通過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(gè)大合作組實(shí)驗(yàn)，即“ATLAS實(shí)驗(yàn)和D0實(shí)驗(yàn)”。

ATLAS實(shí)驗(yàn)，是歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC上的四個(gè)大型探測器之一。而D0實(shí)驗(yàn)，是世界上運(yùn)行能量第二高的質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(jī)Tevatron上的兩大探測器之一，位于美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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。“我們的學(xué)習(xí)方式就是把人扔進(jìn)大團(tuán)隊(duì)，在那里學(xué)習(xí)如何找到自己感興趣的研究方向、遇到困難懂得找到相關(guān)專家請教、在大團(tuán)隊(duì)里怎樣去組建自己的小團(tuán)隊(duì)等，關(guān)鍵就是合作。”如同在大江大河里學(xué)習(xí)游泳，難，但依然要堅(jiān)持。在不斷的學(xué)習(xí)和研究中，周寧逐步確定了暗物質(zhì)尋找這個(gè)研究課題。

弱相互作用的重粒子（WIMP）是一個(gè)很重要的暗物質(zhì)候選，能夠自然地滿足宇宙中暗物質(zhì)殘留密度要求。然而其性質(zhì)決定了探測器不能直接測量其能量或動(dòng)量。只能通過WIMP和一些標(biāo)準(zhǔn)模型粒子在對撞機(jī)上伴隨產(chǎn)生的過程，此時(shí)探測器上會(huì)留下缺失橫向能量的信號，引導(dǎo)出一系列Mono-X反應(yīng)道。周寧參與和領(lǐng)導(dǎo)了ATLAS上首次暗物質(zhì)尋找，包括Mono-jet，Mono-photon和Mono-W。在這些尋找中，他將對撞機(jī)對WIMP模型的限制轉(zhuǎn)化為另外兩種模式——暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)中暗物質(zhì)和核子散射截面的限制，暗物質(zhì)間接探測實(shí)驗(yàn)中暗物質(zhì)湮滅的限制，從而將暗物質(zhì)的3個(gè)尋找方向——對撞機(jī)尋找、直接探測和間接探測有機(jī)結(jié)合在一起。在Mono-W反應(yīng)道上，周寧負(fù)責(zé)Mono-W和Mono-Z的強(qiáng)衰變道分析，其中的難點(diǎn)之一在于如何重建強(qiáng)衰變的W和Z玻色子。他采用了一個(gè)大半徑的噴注去解決這一問題，成為ATLAS中首個(gè)應(yīng)用噴注內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的分析之一。除了暗物質(zhì)，他還首次將這個(gè)尋找結(jié)果轉(zhuǎn)化成希格斯子不可見衰變的限制。因?yàn)樵诎滴镔|(zhì)方面的貢獻(xiàn)，周寧擔(dān)任了一屆ATLAS暗物質(zhì)和噴注相關(guān)新物理組的召集人，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)十幾個(gè)分析工作，并為LHC再次運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析組建研究團(tuán)隊(duì)。

不論如何，能夠在ATLAS上開創(chuàng)一系列的暗物質(zhì)尋找，對于“80后”周寧來說，已經(jīng)是一個(gè)不小的成績。在這兩項(xiàng)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(xiàn)。因?yàn)樵谫M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對撞機(jī)的D0探測器中尋找Randall－Sundrum理論預(yù)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(xué)校新秀獎(jiǎng)。

務(wù)實(shí)地追求未來

“暗物質(zhì)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(xiàn)它存在的。”周寧說。與粒子物理完美描述對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)所展現(xiàn)的物理現(xiàn)象不同，暗物質(zhì)是在宇宙早期高溫高密度的極端條件下產(chǎn)生的，由于今天的對撞機(jī)能量還不能達(dá)到這樣的條件，實(shí)驗(yàn)室還沒辦法找到暗物質(zhì)粒子。雖然在國外時(shí)，周寧對3種形式的暗物質(zhì)探測均有涉獵，但他還是希望回國后側(cè)重點(diǎn)放在對撞機(jī)尋找和直接探測上。

“國內(nèi)近年來對暗物質(zhì)研究特別重視，在項(xiàng)目支持上也更多。”談到回國時(shí)，周寧的答案無比實(shí)在。“十余年來，我長期在ATLAS實(shí)驗(yàn)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(lián)系。清華大學(xué)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。”2014年，他入選青年“千人”計(jì)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(jīng)的基礎(chǔ)上去尋找更高的目標(biāo)。

2015年夏天，L H C在升級后再次開始運(yùn)行，對撞能量達(dá)到了13T e v，并將持續(xù)運(yùn)行至2018年中，計(jì)劃采集100fb-1的數(shù)據(jù)。在周寧看來，這使得暗物質(zhì)的搜尋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，而這個(gè)從未探索過的能量區(qū)域講給他們帶來一個(gè)發(fā)現(xiàn)新物理的新契機(jī)。“質(zhì)子質(zhì)子對撞產(chǎn)生出大量強(qiáng)子，其在ATLAS探測器中形成噴注（jet）。其中由B強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)模型粒子的精確測量以及包括暗物質(zhì)在內(nèi)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(shù)據(jù)和進(jìn)一步提高粒子的鑒別和標(biāo)識。”早在回國前，周寧就在考慮這個(gè)問題了。

作為曾經(jīng)的A T L A S奇異物理組b-tagging聯(lián)絡(luò)人，周寧負(fù)責(zé)過奇異物理組與b-tagging組在高動(dòng)量區(qū)域的協(xié)作，對該領(lǐng)域的發(fā)展有著深刻的認(rèn)識，并在2015年初向ATLAS b-tagging研究組提出了物理需求，推動(dòng)了b-tagging組逐步開展了高動(dòng)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。“我準(zhǔn)備通過ATLAS實(shí)驗(yàn)繼續(xù)和暗物質(zhì)以及新物理尋找相關(guān)的研究，開展b-tagging研究，也是為了尋找暗物質(zhì)在對撞機(jī)上的產(chǎn)生機(jī)制Z’新粒子。”周寧也希望能夠借此為自己尚在建設(shè)中的團(tuán)隊(duì)打下基礎(chǔ)。

“最重要的品質(zhì)是誠實(shí)”

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。“我們之前做實(shí)驗(yàn)，需要從浩如煙海的數(shù)據(jù)量里找出我們需要的信號，這還不算完，關(guān)鍵還要理解其背景有多少，這才是最難的。”當(dāng)然了，在周寧眼里，難的并非是分析本身。這就要從ATLAS的合作機(jī)制說起了。

ATLAS的實(shí)驗(yàn)，全世界獨(dú)此一家，因此合作組特別依賴于內(nèi)部審核，也就是說一個(gè)幾個(gè)月可以拿出來的分析結(jié)果要先上交暗物質(zhì)組初審，再遞交奇異物理組，再遞交大合作組。要一個(gè)結(jié)果得到數(shù)千人認(rèn)可，實(shí)在是一個(gè)漫長的過程，“一年”已經(jīng)是正常的實(shí)驗(yàn)分析周期了。“最難忘的就是得到合作組認(rèn)可的那一刻。”周寧感慨著，“一個(gè)需要大合作的工作，最重要的品質(zhì)就是誠實(shí)。不管結(jié)果多差，只有坦誠地說清楚，不掩蓋問題，才能使研究順利進(jìn)行，才能讓自己更快地進(jìn)步。”

回國不到一年，周寧已經(jīng)感受到身上的擔(dān)子。“不再像博士后時(shí)期只要做好研究就行，現(xiàn)在要招收學(xué)生、要申請項(xiàng)目、家里孩子也還小……很多事情要忙，都很重要，都要做好。”

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(jīng)計(jì)劃好以后會(huì)積極派遣學(xué)生們赴歐洲核子中心參加合作，和國內(nèi)外專家做好合作，推動(dòng)暗物質(zhì)和新物理尋找工作向前發(fā)展，并迅速帶動(dòng)清華大學(xué)高能物理團(tuán)隊(duì)在ATLAS奇異物理組和b-tagging組占有一席之地。他將為這個(gè)目標(biāo)而努力。