平均22岁！他带领本科生发现新粒子

　　■本报记者 赵宇彤

　　3月16日，高能物理领域的顶级学术会议——莫里翁会议在意大利拉蒂勒举行，一个年轻的东方面孔吸引了全场目光。只见她从容站在台前，打开16页的PPT，沉稳地宣布，他们发现了全新粒子——单电荷双粲重子Ξcc+。

　　会场掌声雷动。这是欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机上底夸克（LHCb）实验探测器升级后发现的首个新粒子，有助于人类深入理解物质的基本组成及其相互作用。

　　对中国科学院大学（以下简称国科大）物理科学学院2025级直博生韩书钰来说，比掌声更热烈的是她的心跳。完成这一成果的，正是国科大物理科学学院教授何吉波与他带领的平均年龄仅22岁的本科生团队，这其中就包括曾是国科大2021级本科生的韩书钰。

　　寻找“奇异表亲”

　　“单电荷双粲重子Ξcc+是大家熟知的中子‘奇异表亲’。”何吉波告诉《中国科学报》。

　　按照粒子物理的夸克模型，物质由6种夸克组成：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。前3种较轻，后3种较重。介子由2个夸克组成，重子由3个夸克组成，统称为强子。人们熟知的质子、中子都是重子。

　　单电荷双粲重子则由2个粲夸克和1个下夸克组成，其内部结构预期迥异于普通重子，对理解强相互作用和夸克模型等具有特殊意义。

　　“不同于我们所熟知的中子比质子更重，对于双粲重子家族而言，电磁力的作用一反常态地突出。”何吉波解释称，这就导致含有较重下夸克的单电荷双粲重子，反而比含有较轻上夸克的双电荷双粲重子轻。

　　因此，对单电荷双粲重子Ξcc+的精确测量，将为人类深入理解物质的基本组成及其相互作用力提供关键数据。

　　其实，早在2002年，美国费米实验室的SELEX实验组就声称已发现单电荷双粲重子，但世界上各大粒子物理实验组没能确认SELEX的结果。包括时任清华大学高能物理研究中心主任的高原宁，利用LHCb实验对2011年的数据进行搜寻，也是如此。

　　2015年，何吉波归国前，在一次LHCb实验国际合作组年会期间，和高原宁等喝咖啡时聊起了双粲重子。由于实验中已观测到大量粲强子对事例，说明在大型强子对撞机上双粲重子的产生不是问题。

　　“当时没能观测到双粲重子可能是因为搜寻用的不是其主要衰变道。”何吉波说。因此，回国后他主动找到国内理论家帮忙计算双粲重子的主要衰变道，并于2016年底挑选出最有希望的衰变道。

　　他和高原宁召集并协调了LHCb中国组的力量，组织每周一次的会议，对各个关键环节及时把关、跟进，尤其在动量标度的标定上花费不少心血。

　　“这就像测定一个物体的长度，我们需要先有一把很准的米尺。”何吉波打了个比方。因此，2017年，当他们首次发现双电荷双粲重子时，就将其质量测量精确到万分之二。这一成果入选2017年度中国科学十大进展。

　　此后，他又带领团队用LHCb实验2011年至2018年的数据，对单电荷双粲重子进行搜寻。

　　“尽管使用了当时的所有数据，我们也只看到了单电荷双粲重子的迹象。”何吉波回忆道。直到2019年，大型强子对撞机停机检修，LHCb实验探测器进行升级，他们的物理数据分析工作按下暂停键。

　　虽然实验数据采集中止，但何吉波不敢懈怠。要想在新探测器采集的浩瀚数据中尽快“抓出”单电荷双粲重子，需要提前做好准备工作，也需要更多后备力量的支持。而这次，他将目光投向本科生。

　　“实际上，本科生只要专注、努力，做得不比研究生差。”何吉波补充说，而且本科生没有发表论文才能毕业的压力，更能胜任开拓性工作。

　　“科研要趁早”

　　何吉波大胆决定，带领本科生参与国际前沿科研工作。“我通过实践发现强子谱学研究是比较适合本科生的领域，对LHCb实验硬件和软件熟悉程度的要求不那么高，因此本科生在建立起整体的物理图像后就可以相对独立地开展工作。”这是何吉波深思熟虑的结果。

　　对刚刚踏入大学校园的本科生而言，这无疑是绝佳的科研“训练场”。

　　谈起与LHCb的缘分，韩书钰的思绪被拉回2023年夏天。当时，了解到LHCb实验正在升级，“探测效率将有所提高，有可能发现此前难以发现的新粒子”，她果断加入何吉波的团队。

　　然而，要想在国际前沿科研项目里做出点成果，没有过硬的专业知识，无异于纸上谈兵。经过文献调研，韩书钰逐渐掌握了LHCb实验流程、相关理论知识和ROOT（粒子物理数据分析通用软件）编程技巧，又在何吉波指导下，“啃”下了几本厚重的技术手册。

　　很快，她迎来了全新的挑战。

　　“触发系统是为了在LHCb探测器中海量的质子-质子碰撞事例里挑选感兴趣的进行保留，也是数据得以保存下来的基础。”韩书钰告诉《中国科学报》，由于整个实验的数据存储带宽受限，凡是没有通过触发系统的事例，都会被直接舍弃。

　　同时，作为双粲重子的重要衰变末态，单粲重子更容易被触发系统识别，但当时的触发条件为了满足带宽要求、控制数据流量，常常“一刀切”地剔除部分信号，影响了双粲重子的重建效率。

　　因此，在探测器升级完成、开始采集新的物理数据前，他们决定开发基于机器学习的单粲重子触发算法，为提升双粲重子的重建效率奠定基础。

　　这项重任落在了韩书钰头上。“触发算法是一个全新的领域，并非单独运行某个程序，而是一个完整的配置和调试系统。”她犯了愁，这种难题只靠自己几乎是不能解决的。

　　在和LHCb经验丰富的同事沟通后，她在本科期间着手开发了基于机器学习的粲重子触发算法。“在高效保留单粲重子信号事例的同时，将本底压低至10%至30%，减轻了探测器数据存储压力。”

　　“科研要趁早。”回望这段特殊的历程，韩书钰无比感慨，“边学边做，反而能实现‘1+1＞2’的效果。”

　　迈向下一座高峰

　　2023年，LHCb探测器升级改造完成，何吉波又开始忙碌起来。

　　“如果把高能物理实验探测器比喻成‘数码相机’，那LHCb升级后的探测器就是每秒能拍4000万张照片、价值数亿元人民币、全球独一台、超快超贵超精密的‘数码相机’。”何吉波打了个比方，升级后仍需要大量调试工作，才能让其硬件和软件都达到设计指标。

　　这是一项繁杂的工作，凝聚了全球上百名科学家的汗水和心血，其中就有何吉波和3名本科生。

　　2020年，国科大物理科学学院2018级本科生张丹熠加入团队，完成了LHCb运行二期数据中单电荷双粲重子搜寻的更新工作，包括事例选择的重新优化、增加新的衰变道、开发出数据合并算法等，为利用2024年新的物理数据发现双粲重子奠定了基础。

　　“韩书钰开发了基于机器学习的单粲重子触发算法，对新探测器中‘克隆’粒子去除、单电荷双粲重子质量精确测量等有重要贡献。”何吉波表示。

　　2024年夏天，作为CERN暑期学生，中国科学技术大学2021级本科生张淋诺为改进探测器校准提供了重要输入，对利用2024年数据研究双粲重子作出重要贡献。

　　在他们的不懈努力下，终于成功捕捉到单电荷双粲重子Ξcc+。

　　“这是2023年LHCb探测器升级改造完成以来发现的首个新粒子。”LHCb发言人温琴佐·瓦尼奥尼表示，“该成果有助于理论物理学家检验量子色动力学模型。这一强相互作用理论不仅描述了夸克如何结合形成常规的重子和介子，也解释了它们如何形成四夸克态或五夸克态等奇特强子。”

　　在何吉波心里，这一成果彰显了我国本科生通过努力也能做出开拓性、国际一流的工作。

　　“我给本科生上课的时候，常常让他们思考‘学这门课的目标是什么’。”何吉波自己也在思考这一问题，“选一门物理课不是为了考试拿高分，而是为了培养科学思维。我鼓励他们尽早尝试科研，边做边学，找到自己兴趣和专长的结合点。”

　　这份良苦用心在学生的心底生根发芽。

　　“这是我接触的第一个科研项目，让我的科研能力实现‘从无到有’的提升。”韩书钰告诉《中国科学报》，这不仅让她形成了系统的知识体系，更探索出一套自己的学习方法。在她看来，“‘寻找解决问题的方法’的能力比‘解决问题’更重要，毕竟总会有全新的问题出现”。

　　韩书钰想做的事情还有很多，“我希望做一些更底层的事情，比如开发所有人都要用的一些工具”。尽管前方的道路充满未知，但她依旧满怀信心，“试错并不可怕，犯错也不可怕，担心太多而止步不前才是最可怕的”。

　　与此同时，何吉波探索的脚步并未停止。“我们尚未测定该粒子的寿命。按照理论预言，单电荷双粲重子的寿命约为45飞秒，和LHCb探测器的时间分辨率相当。”他告诉记者，这就像用一把尺子测量与其最小刻度相当的物体的长度，难度很大。

　　“测量单电荷双粲重子寿命，用LHCb一位同事的话说就是‘a technical tour-de-force’（一项技术上的杰作）。”他顿了顿，目光坚定，“我们正在攻关。”