——記山東大學(xué)物理學(xué)院教授祝成光
本刊記者 曹曉旭
人類對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)院教授祝成光認為，嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗是人類認識世界的唯一方法。隨著粒子探測器的發(fā)展和各種粒子物理實驗的開展，關(guān)于粒子世界的層層神秘面紗必將被一一揭開。
推動我國新型探測器的發(fā)展
ATLAS實驗是LHC（大型強子對撞機）上的大型粒子對撞實驗，主要目的是在實驗中尋找粒子物理界已廣泛接受的“上帝粒子”—希格斯粒子，同時在目前能量最高的粒子對撞中探索未知的粒子物理知識。非常幸運的是2012年ATLAS實驗和CMS實驗各自觀測到了希格斯粒子的存在，2013年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了希格斯機制的提出者彼得·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實驗。LHC將兩束質(zhì)子加速到光速的99.99999%，然后送到ATLAS探測器的中心對頭碰撞，四處飛濺的高速末態(tài)粒子的路徑和能量由含有幾萬個探測器模塊，上億信號道的ATLAS探測器記錄下來。ATLAS組成部分之一是在線觸發(fā)系統(tǒng)，其作用是在粒子對撞后以極快的速度(幾個微秒)判斷該次對撞是否是有價值的對撞，是否采集數(shù)據(jù)。作為山東大學(xué)技術(shù)負責(zé)人，祝成光帶領(lǐng)團隊歷時五年，建立了設(shè)備完善、功能齊備的探測器實驗室，首次把TGC技術(shù)引進國內(nèi)，革新了30多項傳統(tǒng)工藝技術(shù)，大幅度提高了探測器的穩(wěn)定性，研制了400臺TGC探測器，安裝在ATLAS探測器上，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探測器的成功，推動了山東大學(xué)在該學(xué)科的快速發(fā)展，獲得了國際認可。在此基礎(chǔ)上，祝成光成功建設(shè)了可以精確測量宇宙線中的通用宇宙線探測器測試系統(tǒng)，為探測器在大學(xué)的研究和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，并在國內(nèi)開展的大型宇宙線觀測站LHAASO實驗，ASγ實驗以及美國布魯海文國家實驗室STAR實驗中發(fā)揮了重要的作用，為山東大學(xué)在國際合作中爭得一席之地。
實驗過程中，祝成光意識到，在近飽和高壓模式下運行的TGC探測器雖然擁有良好的時間性能，但同時也有其局限性。位置分辨和計數(shù)率較低，發(fā)展TGC探測器的全面性能將有利于該探測器在粒子物理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在國家基金委重大國際合作項目的支持下，祝成光針對關(guān)鍵參數(shù)進行多次改良，進行了多個版本的探測器樣本的建造和多次束流測試，最終將TGC的位置分辨率提高了兩個數(shù)量級，計數(shù)率提高了一個數(shù)量級。一個適應(yīng)性更廣、性能更加優(yōu)良的新型TGC探測器就此誕生，它被列為2018年ATLAS實驗觸發(fā)系統(tǒng)升級改造的新型探測器。
擁有十余年探測器方面的研究經(jīng)驗，祝成光在探測器的設(shè)計、測試、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，推動了我國新型探測器的研究以及國際合作。
學(xué)海無涯，科研無止境
目前粒子物理學(xué)家認為物質(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top夸克的研究尚未深入.在ATLAS試驗中研究top夸克將是人類了解自然界的一個重要的途徑。由于夸克禁閉效應(yīng),夸克無法單個存在于真空中，科學(xué)家無法真正的去研究一個“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子之前就會衰變。因而，其“裸夸克”的性質(zhì)將有可能在實驗上被觀測到。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。這為將來使用top夸克自旋開展物理研究提供了第一次實驗上的證據(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。宇宙中暗物質(zhì)的存在得到諸多實驗觀測證實，人類卻不能“一睹芳容”。粒子物理學(xué)界認為暗物質(zhì)可能是一種全新的未知粒子，如果能在實驗上觀測到該粒子，物理學(xué)將向未知領(lǐng)域邁出了一大步。目前國際上直接觀測宇宙中暗物質(zhì)粒子實驗隨著探測器技術(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實驗在暗物質(zhì)粒子尋找中可以獨辟蹊徑。因此祝成光正在全力ATLAS實驗中開展暗物質(zhì)粒子的尋找工作。
隨著中國在國際科學(xué)舞臺上的發(fā)揮的作用越來越大，像祝成光一樣的中國的科學(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，不斷進取。
專家簡介：
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，探測器設(shè)計和高能物理實驗方法和技術(shù)研究。1999年～2005年，為ATLAS實驗合作組研制TGC探測器；2005年至今，利用ATLAS實驗數(shù)據(jù)研究top物理和尋找暗物質(zhì)。
責(zé)編：微科普