YoungTalk NO.5回顧 | 趙一揚：在粒子中發現宇宙 ——從粒子物理前沿到本科生科研實踐

活動現場

粒子物理標準模型是人類目前描述物質世界構成的最佳理論，而要更深入地理解夸克組成的物質結構，探索宇宙的起源與演化，測量重味夸克偶素在強子對撞中的產生截面（即產生概率）是一條重要的研究路徑。

主講人趙一揚

9月20日上午，清華大學科學博物館在人文樓B206舉辦了一場別開生面的YoungTalk講座。本次活動特邀清華大學第43屆“挑戰杯”學生課外學術科技作品競賽基礎科學賽道特等獎獲得者、未央書院電21班趙一揚同學擔任主講，分享他在“挑戰杯”參賽項目中的研究成果與心路歷程。

特邀嘉賓，左為胡震；右為梁曦東

清華大學物理系副教授、粒子物理核物理天體物理研究所副所長胡震作為指導老師親臨現場并作專業點評。未央書院院長、電機系長聘教授梁曦東也出席了本次活動，與現場觀眾進行了深入交流。

范愛紅主持

講座由清華大學科學史系科學博物館聯合黨支部書記、事業發展部負責人范愛紅主持。現場氣氛熱烈，師生互動頻繁，共同探討粒子物理的前沿研究。

以下是趙一揚同學根據現場講述整理的分享內容概要。

為何研究粒子物理

物理研究萬物。從極小的基本粒子，到極大的宇宙，理解并描述自然界一切事物的基本規律，即“物理”。

極小上，更小的尺度，需要更高能的探針。從古希臘德謨克利特的原子論，到20世紀夸克模型的提出，人類對物質結構的認識不斷深入，研究手段也經歷從光學顯微鏡到加速器的轉變。極大上，宇宙一直處于不可逆的演化中，只能通過對撞實驗，模擬宇宙大爆炸初期的能量環境，探索宇宙起源與演化。

圖1 歐洲核子研究中心的大型強子對撞機

從極小到極大的前沿，都需要對撞機的參與，回答世界由何組成、宇宙從何而來。當前，粒子物理標準模型，是對該問題的最佳答案，成功解釋了大爆炸后0.1ns到現在的基本物理過程。

圖2 標準模型中的基本粒子

標準模型的建立，歷經半個多世紀，相關研究也獲得數十個諾貝爾獎。雖然歷經波折，但在好奇心，和對物理規律簡潔性的信念的驅動下，抵達當今的輝煌成就。

但標準模型并非完美，在四種基本相互作用中，強相互作用最復雜、研究最困難，認知不完善。由于強相互作用強度，隨距離增大的反常性質，參與強相互作用的粒子無法單獨存在。因此，由正反兩個夸克組成的夸克偶素，因結構簡單，成為研究強相互作用的窗口。夸克偶素的理論預測產生概率于實驗測量不符，更精確測量其產生概率，成為研究熱點。

如何研究粒子物理

粒子物理研究依賴對撞實驗。如歐洲核子中心的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），加速質子至接近光速對撞，大量能量轉化為質量，產生夸克偶素等新奇粒子。夸克偶素可能衰變為一對繆子，其可在探測器中產生光電信號，被探測到。進而可從繆子的能量、動量反推，研究夸克偶素。

圖3 CMS實驗中含繆子對的對撞事件示例

實驗中，每秒質子束流交叉對撞4000萬次，所需數據帶寬為中國海底光纜總帶寬的2倍。正是為滿足這種大數據計算、存儲的需求，1989年Tim Berners-Lee在歐洲核子研究中心，發明了萬維網（World Wide Web，WWW）技術，成為互聯網的雛形。LHC也有全球分布式計算網絡，實時將數據傳輸到世界各地存儲。

圖4 LHC全球分布式計算網絡

即使有如此先進的算力，將原始對撞數據全部存儲也是“天方夜譚”。幸運的是，大多數據是研究不感興趣的噪聲，因此LHC上，在存儲數據前，會施加篩選，只傳輸、存儲更可能包含夸克偶素等新奇粒子的數據。數據存儲后，進一步施加篩選提升信噪比。通過分析繆子對的質量分布，基于信號、噪聲大不同概率密度分布，區分信號峰與平滑噪聲，進而獲取夸克偶素數量，導出含夸克偶素對撞數、夸克偶素產生概率。

粒子物理的未來

盡管標準模型取得了巨大成功，但它并非最終答案。標準模型無法解釋中微子質量起源，無法解釋為何我們目之所及均為物質、而沒有反物質的不對稱性，無法解釋暗物質與暗能量的本質等。這些“烏云”，都暗示著新物理理論的存在。

未來，高能實驗將朝更高能量，從而深入更小尺度發展。希望有朝一日，能在中國本土的對撞機上，發現世界的基本粒子。

科研感悟與思辨

本科生科研，也可以總結為“為什么”，和“怎么做”兩個問題。科研動機因人而異，或出于對未知的好奇，或為升學深造準備，沒有參考答案。但如何做，卻有共性：

01

盡早多嘗試：科研所需的知識與技能，往往超出課堂范圍。參與科研，而后有針對性學習理論，事半功倍。盡早嘗試不同方向，給予你更多發現熱愛的機會，也有針對性的提升理論和能力；

02

把握寒暑期時間：寒暑期課業壓力較小，一兩個月的專注投入，足以完成一個小課題的核心內容；

03

尋找內驅力、外動力：找到擅長，或者喜歡的方向，對形成正反饋、內驅力必不可少。如果內驅力不足，也可借助SRT、挑戰杯等硬性的任務，借助截止日期督促完成課題。