“李政道学者”李数：以大科学装置开辟暗物质探测“新赛道”

发布者：寒阴复晴 2023-1-16 04:29

·“粒子物理领域的探索过程不仅仅是为了满足人类解锁宇宙奥秘的好奇心、挑战人类认知极限，在不断完善实验条件、提高实验技术与方法的过程中，也实现了基础科学对于国计民生、战略需求的回馈。”

上海交通大学李政道研究所“李政道学者”（T.D. Lee Fellow）李数与实验室仪器设备合影。

2012年，欧洲粒子物理实验室——欧洲核子中心（CERN）宣布找到了希格斯玻色子，这一自旋为零的粒子也被称为“上帝粒子”，赋予了基本粒子质量，某种意义上塑造了宇宙中的万物。自此，粒子物理学进入了新时代。

“发现它是为了解决标准模型中缺失的一环，对上帝粒子的发现意味物理学家当初选择解释微观世界物理机制的理论框架被验证了。”现在任职于上海交通大学李政道研究所的李数当时是中国科学技术大学的研究生，也是大型强子对撞机（LHC-ATLAS/CMS）国际合作实验发现“上帝粒子”时中国研究团队中的一员，“在很长一段时间内，人们坚信希格斯粒子的存在，但并不知道希格斯粒子如何存在，以及它与其他粒子之间怎么发生作用。”

2022年是“上帝粒子”发现十周年。《自然》杂志2022年7月发布的《“上帝粒子”发现十周年：已知的和未知的》称，自2012年以后，欧洲核子中心在瑞士日内瓦近郊的大型强子对撞机（LHC）团队就格外忙碌，先后共发表了近350篇关于希格斯玻色子的科研论文，但该粒子的许多属性仍然成谜。

李数与希格斯玻色子发现的工作成果墙报合影。

李数长期从事高能量前沿的粒子物理实验研究，对希格斯的发现与性质研究、矢量玻色子散射电弱稀有过程的发现、希格斯新物理探针与超标准模型新物理研究作出重要贡献，并因此入选2022年“上海科技青年35人引领计划”。

粒子物理实验赋予人类观测宇宙第一视角

“粒子物理是一门关于时间、空间和能量的科学，致力于解锁物质最基本的微观结构及其相互作用规律。”李数介绍道，高能对撞机粒子物理实验为人类探索未知提供了强大武器。

“天文学和宇宙学的研究表明，目前的宇宙来自138亿年前的大爆炸。我们通过高能对撞机中粒子的剧烈对撞来模拟大爆炸初期的高温高能状态，从而研究高能微观粒子的性质、结构及其相互作用，对撞机实验赋予了人类造物主的第一视角，模拟并探索着人类自己创造的微观的宇宙。”李数说。

“粒子物理作为一门联系着极大与极小世界奥秘的基础学科，其研究面对跨越多个时间与空间尺度的极端物态和实验条件，致力于探秘物质构成之谜、宇宙形成与演化的奥秘、引力、暗物质暗能量之谜等重大基础科学问题的答案。”

谈及当前粒子物理领域在探索中的重要问题，李数滔滔不绝，“包括构成我们身体的这些粒子，只占到宇宙万事万物总量的5%而已，剩下95%是什么，人类现在还一无所知。比如宇宙中那些非真空的区域，其中充斥的物质是普通物质还是一些未知物质？”

暗物质和暗能量是目前粒子物理研究领域的两大热点。2022年9月，上海交通大学携手《自然》（Science）杂志发布了《全世界最前沿的125个科学问题》，其中就涉及暗物质。

“对于暗物质的探测正在全球范围内如火如荼开展，我们也在尝试以全新的视角去另辟蹊径。通过分析人类已知的基本粒子，我们发现除了构成物质的基本粒子外，对于传递基本作用力的传播子的研究同样重要。”

“除了引力效应外，是否还存在传递暗物质作用力的新媒介传播子？”李数认为，这是研究者在探索暗物质过程中不可回避的一个重要问题。“这个传递暗物质相互作用力的媒介粒子就是我们所要寻找的暗光子。”李数说。

目前，基于上海本土的大科学装置——“上海硬X射线自由电子激光装置”，李数所在的上海交通大学李政道研究所正与物理与天文学院合作推动“暗光计划（Dark SHINE）”。该实验将是国内首个电子打靶寻找暗光子的实验，开辟暗物质探测的“新赛道”。“寻找与研究暗光子或能揭示前所未有的第五种基本作用力。”李数说。

此外，李数认为，发现新东西并不是粒子物理研究的唯一目标，发现已有东西的偏离，也是新物理可能存在的间接证据。“就像2022年粒子物理领域研究热点之一的‘基本粒子W玻色子的质量与理论预言值有差距’，这个差距意味着什么？是不是测量错误，还是由于实验精度？还是有些因素没有考虑清楚导致测量偏差，这些都是需要我们去检验、去求索的。你测量一个东西得到一个不同的结果，那么也意味着发现了一个存在的间接证据。虽然我们暂时不知道为什么，但我们知道这里面一定有问题、存在着亟待探索以便确认或证伪的“未知”，指引下一步研究方向。如果最终发现我们人类以前的知识大厦根基被破坏了，恰恰能够激励我们在一个更广的认知框架下去重塑我们既有的理论，就好像历史上“第一次数学危机”时，人类发现根号二无法用分数去表示后，才有了无理数，从而把数学的边界大大的扩展了。”

基础科学的意外之喜

在李数看来，粒子物理领域的探索过程不仅仅是为了满足人类解锁宇宙奥秘的好奇心、挑战人类认知极限，在不断完善实验条件、提高实验技术与方法的过程中，也实现了基础科学对于国计民生、战略需求的回馈。实际上，在互联网诞生之初、超导磁储能、强子治疗、医学成像、增强现实等众多研究领域，背后都有粒子物理等基础研究的支撑。

“只有更加了解粒子和物质的存在以及它们的性质，人类才有机会去利用它们。”李数举例说，“比如人类是在发现了原子核的聚变和裂变规律后，才有了能量的概念，进而尝试去控制核裂变以实现核能发电。”李数认为，当下人们似乎过于将应用科学和基础科学的边界划得太清楚了，事实上大可不必。在他看来，基础科学决定物理大厦本身是否牢固，虽然不立竿见影，但历史上每一次基础研究的认知突破都会给应用科学带来意外之喜。应用科学要实现大的突破，一定要有基础科学的支撑。基础科学的实验也依赖于应用科学与技术的发展。

“基础科学实验中需要科研仪器，我们就要关注目前人类能够掌握的技术有哪些可以为我们所用，这时就和应用科学有了交集。伴随着研究过程的发展，我们也会促使已有的一些技术知识得到进一步发展。举例说，上个世纪80年代末的欧洲核子研究中心，因为实验过程中数据量很大，研究人员不能每天拿着3.5英寸软盘到处拷数据，在这种情况下人们就很自然地有了互联网思维，最早的互联网雏形便在这无心插柳中于1989年诞生在粒子物理学的基础研究中。”李数说，对于做基础科研的人员来说，技术的突破有利于实验的推进，实验过程中实现的技术突破也将会反哺应用科学。

“比如人的身体也是由粒子组成的，当我们对于基本粒子的控制技术达到一定的成熟阶段，便可以应用于医疗，譬如通过放射性定点查杀癌细胞，治疗癌症可能不需要开刀切肿瘤，而是可以将粒子打入人体里帮助消除肿瘤。这件事如果只靠医生在传统医学技术范围内去探索，肯定不可能那么容易想到的。但粒子物理的研究者告诉医学研究者有这样一个可能性，那么双方就会有交集，看似没有直接应用价值的基础科学也就有用了。”

从“《三体》迷”到首位“李政道学者”

早在2014年底，著名物理学家李政道向党和国家领导人建议在上海交大建立一个国际化的科学研究所，对标1921年成立、对量子力学领域产生重大影响的玻尔研究所，从事物理和天文方面最前沿科研。在国家相关部委和上海市等各方大力支持下，李政道研究所于2016年11月在上海交通大学成立。2017年，李数在美国杜克大学物理系和欧洲核子研究中心结束博士后研究工作后，被聘任为首位“李政道学者”（T.D. Lee Fellow）入职上海交通大学李政道研究所。

在谈到最初踏上粒子物理的研究道路时，李数说道，这个选择其实是多个因素共同促成的，其中之一就是他在安徽泗县中学读初中时的物理老师。

“我的中学物理老师有一个习惯，他讲课时会多说几句课本知识之外的内容。比如讲到电现象，他除了讲课，还会告诉我们电流怎么形成。”这让他中学时即对物理产生了强烈兴趣。

中学毕业，李数考入闻名已久的中国科学技术大学少年班（也是由李政道先生建议创办），开始较为系统地学习近现代的一些物理学知识。“当时学校有一个很好的制度，即大一不分专业。这就给了我们更多自由度，我可以花时间在科普读物乃至于一些高阶物理知识的阅读学习上。”这些都让李数乐在其中。

除了知识的学习之外，李数特别提到2003年就开始阅读《科幻世界》，提到大学时最早阅读到连载版及后续正式版《三体》中蒙特卡洛方法与三体运动模拟、低维展开与智子锁定、降维打击与黑暗森林法则等给他带来的智慧的共鸣与灵魂的震撼。“三体往小了说是三个基本粒子，往大了说是三个星球、三个宇宙、三个平行世界……”这些内容让李数对粒子物理有了朦胧的印象和兴趣。

李数认为，粒子物理关系到了人类对于微观世界奥秘的基本认知。“我会选择粒子物理，一定程度上受了《科幻世界》的影响，还有一个临门一脚的事情，那时是欧洲核子研究中心大型强子对撞机取数的前一年，“一个超级大规模的庞然大物要开始运行了，宇宙的很多奥秘就要被解锁了，我当然想成为其中的一员、想成为那个开锁的人，就很自然地在那个节骨眼上选择了这样一条道路。”

“粒子物理的研究某种程度上也满足了我一点小小的执着之心，因为类比于其他的基础科学研究方向，我仍想去用人类自己的第一视角去模拟、创造并探索一个虽不完美，但充满着无限的未知与梦想的宇宙。”

对比做学生时和做学者时的科学研究理念差异，李数表示，现在他的肩上除了梦想有了更多的责任和担当。以前总想做自己感兴趣的东西，去攻克一些科学难题，现在对他来说更重要的是把自己对科学的这份热情以及科学观价值观、追逐自然奥秘的精神传递给年轻一代的学生。“一个人的智慧和精力总是有限的，我们有责任为更年轻一代的学生播下科学梦想的种子和探索未知的勇气，为人类文明的持续进步奉献中华文明未来科技之光。也许一个真正厉害的老师，不在于他发过什么文章，甚至都不在于他是否获得诺贝尔奖，而是他培养的学生都想成为他、并且都超越了他。我希望我能努力成为‘这个他’。”

附：李数简历