在浩瀚的粒子物理学里默默耕耘
——记山东大学物理学院教授祝成光
本刊记者 曹晓旭人类对于生活于其中的世界充满好奇，从最小的物质组成部分到广袤的宇宙空间，无数的未知奥秘等待着人类的发掘。粒子物理学家尝试使用粒子的概念去理解物质的存在方式和他们之间的联系，发展了完整的粒子物理理论去解释最小的物质结构以及宇宙的演化。 山东大学物理学院教授祝成光认为，严谨的科学实验是人类认识世界的唯一方法。随着粒子探测器的发展和各种粒子物理实验的开展，关于粒子世界的层层神秘面纱必将被一一揭开。 推动我国新型探测器的发展 ATLAS实验是LHC（大型强子对撞机）上的大型粒子对撞实验，主要目的是在实验中寻找粒子物理界已广泛接受的“上帝粒子”—希格斯粒子，同时在目前能量最高的粒子对撞中探索未知的粒子物理知识。非常幸运的是2012年ATLAS实验和CMS实验各自观测到了希格斯粒子的存在，2013年的诺贝尔物理学奖授予了希格斯机制的提出者彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特。 祝成光从1999年进入粒子物理领域读研究生开始，即加入了ATLAS合作组，筹备建设ATLAS实验。LHC将两束质子加速到光速的99.99999%，然后送到ATLAS探测器的中心对头碰撞，四处飞溅的高速末态粒子的路径和能量由含有几万个探测器模块，上亿信号道的ATLAS探测器记录下来。ATLAS组成部分之一是在线触发系统，其作用是在粒子对撞后以极快的速度(几个微秒)判断该次对撞是否是有价值的对撞，是否采集数据。作为山东大学技术负责人，祝成光带领团队历时五年，建立了设备完善、功能齐备的探测器实验室，首次把TGC技术引进国内，革新了30多项传统工艺技术，大幅度提高了探测器的稳定性，研制了400台TGC探测器，安装在ATLAS探测器上，完成了触发系统的安装、整合和刻度，为希格斯粒子的研究奠定了基础。 TGC探测器的成功，推动了山东大学在该学科的快速发展，获得了国际认可。在此基础上，祝成光成功建设了可以精确测量宇宙线中的通用宇宙线探测器测试系统，为探测器在大学的研究和发展奠定了良好的基础，并在国内开展的大型宇宙线观测站LHAASO实验，ASγ实验以及美国布鲁海文国家实验室STAR实验中发挥了重要的作用，为山东大学在国际合作中争得一席之地。 实验过程中，祝成光意识到，在近饱和高压模式下运行的TGC探测器虽然拥有良好的时间性能，但同时也有其局限性。位置分辨和计数率较低，发展TGC探测器的全面性能将有利于该探测器在粒子物理领域的广泛应用。在国家基金委重大国际合作项目的支持下，祝成光针对关键参数进行多次改良，进行了多个版本的探测器样本的建造和多次束流测试，最终将TGC的位置分辨率提高了两个数量级，计数率提高了一个数量级。一个适应性更广、性能更加优良的新型TGC探测器就此诞生，它被列为2018年ATLAS实验触发系统升级改造的新型探测器。 拥有十余年探测器方面的研究经验，祝成光在探测器的设计、测试、定型以及触发系统的建设方面积累了丰富的经验，推动了我国新型探测器的研究以及国际合作。 学海无涯，科研无止境 目前粒子物理学家认为物质是由基本粒子组成，top夸克则是所有基本粒子中最重的粒子。相比于其它夸克而言，针对top夸克的研究尚未深入.在ATLAS试验中研究top夸克将是人类了解自然界的一个重要的途径。由于夸克禁闭效应,夸克无法单个存在于真空中，科学家无法真正的去研究一个“裸夸克”的性质。然而由于top夸克寿命极短，在top夸克和其他夸克形成强子之前就会衰变。因而，其“裸夸克”的性质将有可能在实验上被观测到。祝成光与小组成员使用ATLAS数据以5倍sigma的显著度证实了top夸克自旋关联效应的存在，证明了其“裸夸克”短暂存在的特点。这为将来使用top夸克自旋开展物理研究提供了第一次实验上的证据。 学海无涯，科研亦无止境。在科学家的眼中，始终存在前瞻意识。宇宙中暗物质的存在得到诸多实验观测证实，人类却不能“一睹芳容”。粒子物理学界认为暗物质可能是一种全新的未知粒子，如果能在实验上观测到该粒子，物理学将向未知领域迈出了一大步。目前国际上直接观测宇宙中暗物质粒子实验随着探测器技术的发展如雨后春笋般出现。然而LHC却可以自己“产生”暗物质粒子，这使ATLAS实验在暗物质粒子寻找中可以独辟蹊径。因此祝成光正在全力ATLAS实验中开展暗物质粒子的寻找工作。 随着中国在国际科学舞台上的发挥的作用越来越大，像祝成光一样的中国的科学工作者们正在不倦追求新方法、新技术，在物理研究的潮流中努力耕耘，不断进取。 专家简介： 祝成光，理学博士，山东大学物理学院教授，从事高能物理物理分析，探测器设计和高能物理实验方法和技术研究。1999年～2005年，为ATLAS实验合作组研制TGC探测器；2005年至今，利用ATLAS实验数据研究top物理和寻找暗物质。
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