活动现场
粒子物理标准模型是人类目前描述物质世界构成的最佳理论，而要更深入地理解夸克组成的物质结构，探索宇宙的起源与演化，测量重味夸克偶素在强子对撞中的产生截面（即产生概率）是一条重要的研究路径。
主讲人赵一扬
9月20日上午，清华大学科学博物馆在人文楼B206举办了一场别开生面的YoungTalk讲座。本次活动特邀清华大学第43届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛基础科学赛道特等奖获得者、未央书院电21班赵一扬同学担任主讲，分享他在“挑战杯”参赛项目中的研究成果与心路历程。
特邀嘉宾，左为胡震；右为梁曦东
清华大学物理系副教授、粒子物理核物理天体物理研究所副所长胡震作为指导老师亲临现场并作专业点评。未央书院院长、电机系长聘教授梁曦东也出席了本次活动，与现场观众进行了深入交流。
范爱红主持
讲座由清华大学科学史系科学博物馆联合党支部书记、事业发展部负责人范爱红主持。现场气氛热烈，师生互动频繁，共同探讨粒子物理的前沿研究。
以下是赵一扬同学根据现场讲述整理的分享内容概要。
为何研究粒子物理
物理研究万物。从极小的基本粒子，到极大的宇宙，理解并描述自然界一切事物的基本规律，即“物理”。
极小上，更小的尺度，需要更高能的探针。从古希腊德谟克利特的原子论，到20世纪夸克模型的提出，人类对物质结构的认识不断深入，研究手段也经历从光学显微镜到加速器的转变。极大上，宇宙一直处于不可逆的演化中，只能通过对撞实验，模拟宇宙大爆炸初期的能量环境，探索宇宙起源与演化。
图1 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机
从极小到极大的前沿，都需要对撞机的参与，回答世界由何组成、宇宙从何而来。当前，粒子物理标准模型，是对该问题的最佳答案，成功解释了大爆炸后0.1ns到现在的基本物理过程。
图2 标准模型中的基本粒子
标准模型的建立，历经半个多世纪，相关研究也获得数十个诺贝尔奖。虽然历经波折，但在好奇心，和对物理规律简洁性的信念的驱动下，抵达当今的辉煌成就。
但标准模型并非完美，在四种基本相互作用中，强相互作用最复杂、研究最困难，认知不完善。由于强相互作用强度，随距离增大的反常性质，参与强相互作用的粒子无法单独存在。因此，由正反两个夸克组成的夸克偶素，因结构简单，成为研究强相互作用的窗口。夸克偶素的理论预测产生概率于实验测量不符，更精确测量其产生概率，成为研究热点。
如何研究粒子物理
粒子物理研究依赖对撞实验。如欧洲核子中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC），加速质子至接近光速对撞，大量能量转化为质量，产生夸克偶素等新奇粒子。夸克偶素可能衰变为一对缪子，其可在探测器中产生光电信号，被探测到。进而可从缪子的能量、动量反推，研究夸克偶素。
图3 CMS实验中含缪子对的对撞事件示例
实验中，每秒质子束流交叉对撞4000万次，所需数据带宽为中国海底光缆总带宽的2倍。正是为满足这种大数据计算、存储的需求，1989年Tim Berners-Lee在欧洲核子研究中心，发明了万维网（World Wide Web，WWW）技术，成为互联网的雏形。LHC也有全球分布式计算网络，实时将数据传输到世界各地存储。
图4 LHC全球分布式计算网络
即使有如此先进的算力，将原始对撞数据全部存储也是“天方夜谭”。幸运的是，大多数据是研究不感兴趣的噪声，因此LHC上，在存储数据前，会施加筛选，只传输、存储更可能包含夸克偶素等新奇粒子的数据。数据存储后，进一步施加筛选提升信噪比。通过分析缪子对的质量分布，基于信号、噪声大不同概率密度分布，区分信号峰与平滑噪声，进而获取夸克偶素数量，导出含夸克偶素对撞数、夸克偶素产生概率。
粒子物理的未来
尽管标准模型取得了巨大成功，但它并非最终答案。标准模型无法解释中微子质量起源，无法解释为何我们目之所及均为物质、而没有反物质的不对称性，无法解释暗物质与暗能量的本质等。这些“乌云”，都暗示着新物理理论的存在。
未来，高能实验将朝更高能量，从而深入更小尺度发展。希望有朝一日，能在中国本土的对撞机上，发现世界的基本粒子。
科研感悟与思辨
本科生科研，也可以总结为“为什么”，和“怎么做”两个问题。科研动机因人而异，或出于对未知的好奇，或为升学深造准备，没有参考答案。但如何做，却有共性：
01
尽早多尝试：科研所需的知识与技能，往往超出课堂范围。参与科研，而后有针对性学习理论，事半功倍。尽早尝试不同方向，给予你更多发现热爱的机会，也有针对性的提升理论和能力；
02
把握寒暑期时间：寒暑期课业压力较小，一两个月的专注投入，足以完成一个小课题的核心内容；
03
寻找内驱力、外动力：找到擅长，或者喜欢的方向，对形成正反馈、内驱力必不可少。如果内驱力不足，也可借助SRT、挑战杯等硬性的任务，借助截止日期督促完成课题。
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