高能粒子撞出的绚烂——访国科大强子物理研究团队
黄海诺 唐昕瑞
“发试卷之前，大家先放下笔，我们上来一起合个影。”在国科大本科生的公共必修课程《原子物理》期末考试开考前5分钟，主讲老师郑阳恒站在讲台中间对台下的同学微笑道。
从2016年站上本科教育的讲台，郑阳恒已经教授了8年的本科《原子物理》课程。“我很享受给本科生上课的过程。”郑阳恒说，多年来，考试前和班上同学合影留念一直是他的一个传统。
用高能的粒子撞出新的物理，用高能的粒子探寻世界的本质，这既是强子物理研究团队的攻关方向，也是郑阳恒的授课内容。10多年来，郑阳恒、吕晓睿、黄梅等国科大教授，坚持以学者的精诚与真心，叩问万物之理，探寻世界的真相；也以师者的耐心与温情，引领同学找到自己人生的方向，走进物理的大门。
精诚所至，金石为开
从1990年走入中国科学技术大学的校园算起，郑阳恒已在物理学的世界中徜徉30余年，除了国科大物理科学学院教授、副院长这些身份，他同时也曾先后担任北京正负电子对撞机BESⅢ国际合作组粲物理组组长、联合发言人等重要岗位，目前是“国家自然基金创新群体”——国科大物理科学学院强子物理研究团队负责人。
然而在回想往事时，郑阳恒却笑着 说，“我其实是一个有些叛逆的人。”2007年，在结束了欧洲核子中心（CERN）的LHC（大型强子对撞机）项目的博士后工作后，他选择了回归祖国。尽管从小在中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）长大，他并没有选择回到熟悉的环境，而是加入了比邻的中国科学院研究生院。恰逢北京正负电子对撞机（BEPC）升级改造，亮度提升了近百倍，赫然成为当时全球在粲物理能区的亮度最高的正负电子对撞机。这正是郑阳恒所期待的新的机遇，于是，他开始着手组建自己的强子物理研究团队。
物理研究是一个理论与实验相互交织，彼此引领的过程，对于强子物理更是如此。起初，团队的成员只有刚刚回国的郑阳恒一人。幸运的是，最优秀的平台总能吸引最优秀的人才。2008年，郑阳恒遇到了刚从日本取得博士学位的吕晓睿（现任国科大物理科学学院教授、博士生导师）。盛情邀请之下，吕晓睿加入了他的团队，成为他的团队核心成员。之后，刘倩（现任国科大物理科学学院副教授）的加入为团队带来了一流的探测器技术；还有从欧洲核子中心归国的何吉波（现任国科大物理科学学院长聘教授），钱文斌（现任国科大物理科学学院长聘副教授）等杰出实验粒子物理人才，他们的加入进一步壮大了团队的力量。黄梅（现任国科大核学院特聘教授）与吴佳俊（现任国科大物理科学学院长聘副教授）等理论方向学者的加入，为团队带来了许多实验灵感和一套不同的研究视角。许多位杰出的青年学者，一步步走来，团队逐渐充实、壮大。今日，郑阳恒所领导的强子物理研究团队已是一个50多人的大团队，在粲物理领域，团队已然处于世界前列的领先水平。
在介绍团队的成绩时，郑阳恒从一旁的柜子中抽出了一本厚厚的手册，上面记录着几十年来的粒子物理领域重大实验与最精确的实验数据。“这是2014年最前沿的 Λc衰变实验数据。那时这些数据全是由费米实验室等国外的机构测得的，并且由于实验平台的欠缺，这些20世纪末的数据已经十几年没有更新。”他指尖轻抚书页，语气中不乏感慨与自豪，“但在最新的粒子物理手册中，这一章节的数据的来源都变成了——BESⅢ（北京谱仪Ⅲ）”。
强子物理是高能粒子在对撞机中一瞬间的碰撞的绚烂，但是这一瞬间的金石为开，背后是十几年来的一点点的攻坚克难，一步步拾级而上所铸就的精诚之至。
抽丝剥茧，教授“真正的物理”
2014年，国科大开始招收本科生，旨在为未来科学界培养领军人才。郑阳恒本人和强子物理研究团队的不少老师都迎来了一个新的身份：本科物理教学团队的一员。
本科生的教学难度看似简单，但更要求课程的前瞻性和创新性。如何打好学科基础、训练物理思维、建立物理图像、培养物理直觉……这些都是在设计课程时需要考量的。
郑阳恒所教授的《原子物理》课程，便经过了他从“黄埔一期”到今日这近10年的摸索。什么是自旋-轨道耦合？选择定则为什么会这样要求？在郑阳恒的课堂上，他都用一幅幅相当清晰的物理图像向同学们清晰地展示了出来。除此之外，最新的缪子偶素兰姆移位测量实验，在原子尺度上验证波粒二象性，观测反物质的引力相互作用，一项项令人叹为观止的前沿工作被郑阳恒搬上了讲台。他将它们抽丝剥茧，将其最深邃的物理思想展示在了同学们面前。
真正的物理其实并不在于如何解一道题，如何在考试中考出高分，而是在于对物理问题的认识和你思考这些问题的方式。把那些相对而言并不重要的常数和细节略去，剩下的那些最简约最根本的，便是物理图像。它也因此而至关重要，这便是郑阳恒教学的指导思想。“郑老师的原子物理课非常的物理，没有太多的数学推导，但是里面的物理思想非常精彩。”2021级物理学专业本科生黄海诺回忆说。“十几年后，同学们或许早已忘记这些公式是怎么推导出来的了，但是一定会记得它背后的物理图像，这才是最重要的东西。”郑阳恒说。
为了能让同学们在学习课程的同时不囿于枯燥的习题与知识点，吴佳俊将自己在理论物理科研工作中所遇到与群论相关的问题，都融入了他的《群论》课程之中。“理论物理就是运用学过的知识，对现象进行抽丝剥茧的过程。”介绍课程纲要时，吴佳俊侃侃而谈。
每一位选修了他的群论课程的本科生，在第一章的习题中都会遇上一个无限阶行列式求解难题。这道让每一届同学苦思不得其解的习题，实际上便取材于他在德国波恩大学做博士后时的一项理论工作。将科研工作中那些纯粹的问题从复杂表象中抽出，融入教学工作中，让同学在学习中便潜移默化地接触科研工作的点滴。这样既能激起同学们的好奇心与探索欲，也不会因为问题太过复杂而抹消兴趣。“这些都是大家在习题集中看不到的习题，这也是科教融合的最好的方式之一。”吴佳俊说。
亦儒亦师亦友人
在课程教学之外，强子物理团队也借鉴国际顶尖高校的做法，积极地推行“书院”项目。
所谓“书院”，便是对物理学专业本科生的一种全方位培养和关怀。书院为每一位低年级的本科生安排一位“书院导师”和“朋辈导师”，通过每周一次的书院讨论课，帮助低年级同学适应国科大的学习生活，保证每一个学生都不掉队，帮同学们树立起自信，重拾学习生活的乐趣与节奏。强子物理研究团队的不少老师，如吕晓睿，钱文斌，黄梅，吴佳俊，何吉波，刘倩……他们都在科研与教学之余，担起了书院导师的职责。
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| 黄梅在讲授《理论力学》课程 | 吴佳俊在1902班班级活动中与同学下棋 |
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| 郑阳恒在团队例会中讨论 | 郑阳恒和吕晓睿在校园中散步 |
“如何找到自己的人生方向？”“如何摆脱学业上的焦虑？”“量子力学的动量算符是怎么来的？”“什么是AdS/CFT？”，从学习与生活中的琐事，到学科上的种种问题，在书院的研讨课上，同学们和老师们可以畅所欲言。在黄梅的书院小组讨论课上，每周她都会为学生布置一个小的题目让他们去学习、了解；而吕晓睿常常会和同学们一起吃完午饭后，找一间教室坐下自由地聊天。在书院项目中，国科大的师资力量优势发挥得淋漓尽致。老师们脱下白大褂，走上讲台，也走进了每一位同学的学习与生活。带着他们扣好人生的第一枚纽扣，走稳科技强国的第一步，他们是学者，是师者，更成为同学们亲切的领路人。
实际上，今日郑阳恒在物理科学学院教学上的设计，都源于他曾经求学时走过的弯路、得到的教训。每次和同学们畅聊，看着这群还有些迷茫懵懂的孩子，郑阳恒总回想起他“学明白物理”前的那段迷茫的岁月。
“我本科时只知道死记硬背，一直都没有真正明白那些公式背后的物理是什么。”郑阳恒回忆道，神色有些遗憾。用他的话来说，那时候的他，所有的知识如“一团乱麻”。在漫长的迷茫后，直到读研期间，为了准备博士生资格考试的他重新梳理知识，一点点地吃透、理解、建立物理图像，加上博士阶段良师的悉心指导，才真正地“上道了”。11年半的求学历程中，有接近10年的时间，郑阳恒都在“不明白物理”的迷茫中探索。而他明白，这样的迷茫，今日国科大物理科学学院的本科生仍在经历着。
吴佳俊担任了国科大2019级物理学专业1902班四年的青年班主任，回忆起点点滴滴时，他感慨良多，“本科4年，找到你究竟热爱什么，找到你的方向，这才是最重要的。”迷茫的过程很难熬，但是这样一个从迷茫到通达的过程，正是每一个求道者都要经历的“龙场悟道”。
吴佳俊冬天和1902班同学一起夜跑
“我们希望能给所有物理科学学院的同学都托起一片人才培养的高原。”郑阳恒坚定道。泰山平地而起，再雄伟也不过隐入云烟，但高原上挺起的山峰，永远屹立在世界屋脊。循循善诱，春风化雨。恢宏的比喻，饱含着郑阳恒对每一个国科大本科生的承诺与殷殷期许。
科教融合的十年
从2014年的“黄埔一期”，到刚入学的2023级本科生，国科大本科教育已历经十载光阴。依托着中国科学院各个院所的师资力量与科研平台，“科教融合”的办学理念，始终贯穿国科大办学的始终。
本科办学的10年，亦是“科教融合”的10年尝试。从办学理念出发，如何将这批未来科学界的领军人才培养好，让同学们在打好基础的前提下，早日接受完备成熟的科研训练，为科技强国源源不断地输送优秀的后备人才，这是国科大本科办学一直在探索的方向。而郑阳恒团队带着国科大本科生所开发的分波分析软件TF-PWA，便是这10年探索中所收获的一颗亮眼明珠。
在TF-PWA横空出世之前，传统的分波分析软件，操作繁琐、计算速度慢，学习成本高，曾经有多个研究生“学了一个多月还一头雾水”。早在团队刚组建时，郑阳恒便希望能够开发新的分波分析工具来替代，但由于精力和人才的限制，这个想法一直没能实现。而2017年钱文斌回国加入团队，为此带来了转机。
郑阳恒原子物理课程班级合影 2021年春季
郑阳恒原子物理课程班级合影 2023年春季
在LHCb实验组工作时，钱文斌便积累了不少分波分析的经验。因此，在回国不久后他便投入到了团队的分波分析工具开发中。在几经研讨后，团队决定使用谷歌的开源软件库TensorFlow2搭建软件框架，使用GPU进行分波分析。而在开发工作中，国科大2015级物理学专业的本科生（现国科大2021级物理科学学院博士研究生）蒋艺便是这项工作中强子物理团队所发现的一个惊喜。
在郑阳恒的回忆中，蒋艺的学业成绩不算最优秀的，但是在未来技术学院的研究生面试时，他是唯一可以在黑板上画出费曼图的同学，对于不少相对前沿且深奥的粒子物理问题，他都有自己的见解。郑阳恒和钱文斌相当欣赏蒋艺的独立思考与扎实的基础知识，他最终作为硕士研究生加入了团队，跟着钱文斌进行分波分析的软件开发。
钱文斌回忆，在最开始，将这个任务交给蒋艺时，其实只是抱着试试看的想法，从来没有想过他能够开发出这样好用的软件。“就算开发失败了，也不会比先前的软件还要难用。”钱文斌笑道。但是当蒋艺展现出强大的计算机编程水平后，所有的老师对他都刮目相看。本科阶段，他便一直跟着高能所的王建雄老师进行学习与科研实践。虽然在考试上，蒋艺并不算出色，但是他在知识的理解和科研技能的训练上却是深刻的。
在钱文斌的指导下，经过不懈努力，蒋艺最终成功地将多通道的GPU并行计算与自动微分、矢量运算等先进的编程技术融入团队分波分析软件TF-PWA中，将运算效率提升了近百倍，低年级的同学也只需一周便可上手。
蒋艺给团队带来的惊喜并不是偶然，这更是国科大10年来的科教融合培养模式的成果。10年来，国科大扎根基础学科教学与实践，如今，曾经的懵懂少年已成长为功底扎实、素养过硬的新一代科研人，在新时代的舞台上，散发出夺目光彩。
为未来布局
眼下，为了能在激烈的国际竞争中脱颖而出，始终保持着领先的优势，郑阳恒和他所领导的强子物理研究团队正积极地推动着新一代超高亮度对撞机——超级τ-粲装置（Super Tau-Charm Facility，STCF）的建设。其亮度比今日的BEPC还要再高50倍，能区也将进一步扩展。“前人为我们留下了BEPC，守住了我国在粲物理能区的高地，再过30年，我们也需要为你们守住高地。”郑阳恒说。
国科大本科办学倾注了中国科学院的优秀资源，瞄准的目标正是几十年后科学界的领袖型领军人才。这是一场关乎未来发展的大布局。“当几十年后我们这几百名学生在培养成熟后分散到国内那么多高校之后，你们便是我们国家发展最关键的引擎。”郑阳恒说着，眼中满怀着赞许与期待。
蒋艺在为老师讲解TF-PWA的使用
(作者系国科大记者团成员
摄影/黄海诺
部分图片由受访者提供)
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