這原本不是一場(chǎng)“志在必得”的競(jìng)賽，但現(xiàn)在看來(lái)，他們的確“贏了”。
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今年7月，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上底夸克物理實(shí)驗(yàn)（LHCb）國(guó)際合作組宣布，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)新奇特態(tài)粒子。其中兩個(gè)“四夸克態(tài)”強(qiáng)子由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)科大）粒子物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，這是首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)雙電荷“四夸克態(tài)”強(qiáng)子，而且是同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種全新夸克組分的強(qiáng)子伙伴。這為確認(rèn)自然界中存在超出常規(guī)重子與介子的新物質(zhì)形態(tài)提供了全新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，將加深人類(lèi)對(duì)宇宙中物質(zhì)最基本結(jié)構(gòu)的理解。
英國(guó)曼切斯特大學(xué)教授，LHCb實(shí)驗(yàn)合作組負(fù)責(zé)人克里斯·帕克斯教授評(píng)價(jià)：“此次新四夸克態(tài)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理依賴(lài)于幾位中國(guó)同事開(kāi)發(fā)的軟件工具。”
而這“幾位中國(guó)同事”中的核心骨干包含國(guó)科大的兩位本科生和一位研究生。
在粒子物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、國(guó)科大物理科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)鄭陽(yáng)恒看來(lái)，如果學(xué)生有興趣，加上足夠的知識(shí)儲(chǔ)備和合適的研究平臺(tái)，本科生也能作出重要科研成果。
嘗試挑戰(zhàn)最難的技術(shù)
2014年，國(guó)科大首次招收本科生，以培養(yǎng)“未來(lái)科學(xué)家”為目標(biāo)，依托中國(guó)科學(xué)院科研院所資源，以“科教融合”為理念，開(kāi)展本科生培養(yǎng)。
鄭陽(yáng)恒所帶領(lǐng)的國(guó)科大粒子物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)是正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)BESIII實(shí)驗(yàn)與歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHCb實(shí)驗(yàn)的重要合作組成員，長(zhǎng)期致力于四夸克奇特強(qiáng)子態(tài)的研究。
一開(kāi)始，鄭陽(yáng)恒只是抱著培養(yǎng)本科生的心態(tài)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)工作，并未期待一定要產(chǎn)出重要的科學(xué)成果。
蔣藝是國(guó)科大物理學(xué)院第二屆本科生，他的導(dǎo)師、物理學(xué)院長(zhǎng)聘副教授錢(qián)文斌用“內(nèi)秀”形容蔣藝，“話不多，悶聲干事”。
在考研復(fù)試現(xiàn)場(chǎng)，錢(qián)文斌第一次見(jiàn)到蔣藝。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，蔣藝的綜合成績(jī)并不出眾，物理成績(jī)也不是最優(yōu)秀的。“面試時(shí)，我們問(wèn)了他一些研究生階段的粒子物理問(wèn)題，他居然都回答出來(lái)了，而且理解的比較深刻。”就這樣，蔣藝作為碩士研究生，再次被國(guó)科大物理學(xué)院錄取。
不久之后，物理學(xué)院特聘教授、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)BESIII實(shí)驗(yàn)合作組共同負(fù)責(zé)人呂曉睿與鄭陽(yáng)恒了解到，蔣藝的計(jì)算機(jī)功底非常扎實(shí)，便提議由蔣藝參與到具有挑戰(zhàn)的分波分析工作上來(lái)。
這一提議后來(lái)促成了上述新發(fā)現(xiàn)所依賴(lài)的基礎(chǔ)軟件——TF-PWA通用振幅分析工具的開(kāi)發(fā)，該軟件用于大型粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分波分析。
為什么分波分析工具如此重要？
“分波分析是認(rèn)識(shí)粒子特性本質(zhì)、發(fā)現(xiàn)一些新粒子無(wú)法繞開(kāi)的手段。”鄭陽(yáng)恒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一直以來(lái)，由于分波分析學(xué)習(xí)門(mén)檻高、現(xiàn)有工具通用性較低、計(jì)算速度慢，使得一些相關(guān)研究難以取得重大突破。
過(guò)去，他們不是沒(méi)有考慮過(guò)開(kāi)發(fā)分波分析的通用軟件，但由于各種條件不成熟，想法被暫時(shí)擱置。直到2017年，錢(qián)文斌回國(guó)入職國(guó)科大，由于他具有豐富的分波分析經(jīng)驗(yàn)，事情出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。
鄭陽(yáng)恒找到錢(qián)文斌、呂曉睿討論并決定，共同推動(dòng)開(kāi)發(fā)一個(gè)通用性好、容易上手的分波分析基礎(chǔ)軟件工具，將來(lái)能夠吸引更多的優(yōu)秀人才參與相關(guān)工作，形成更大的國(guó)際影響力。
“我們?cè)贐ESIII（北京譜儀III）和LHCb實(shí)驗(yàn)上的數(shù)據(jù)已經(jīng)積累到了一定程度，分波分析研究成為了必要的研究手段。我們必須要做高效的分波分析通用工具了！”呂曉睿告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
幾年來(lái)，錢(qián)文斌和呂曉睿一直在尋找突破口。蔣藝的加入，更堅(jiān)定了團(tuán)隊(duì)馬上行動(dòng)的決心。
鄭陽(yáng)恒坦承，把粒子物理實(shí)驗(yàn)中最難的技術(shù)之一交給本科生來(lái)做，能否成功，一開(kāi)始，他們并沒(méi)有抱太大期待。
“背后工作很枯燥，必須真正靜下心來(lái)做”
最關(guān)鍵的一步，是基于何種方式去開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)框架，這關(guān)系到軟件的性能和效率。
那段時(shí)間，錢(qián)文斌和蔣藝做了大量的調(diào)研和嘗試。他們找到了當(dāng)時(shí)幾乎所有的分波分析工具、GPU計(jì)算工具，然后編程運(yùn)算，驗(yàn)證它們的性能。
調(diào)研中，他們發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者有著不同的想法，無(wú)法“決出高下”。為此，錢(qián)文斌、呂曉睿專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了一個(gè)研討會(huì)，邀請(qǐng)中科院高能所、清華大學(xué)等院校的眾多專(zhuān)家，分析討論了每個(gè)方法優(yōu)劣特點(diǎn)，最終確定選擇谷歌開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件庫(kù)“TensorFlow2”，因?yàn)樗^為完善地支持了分波分析的各種需求。
經(jīng)過(guò)不懈努力，蔣藝成功地基于“TensorFlow2”將GPU并行計(jì)算、自動(dòng)微分和矢量運(yùn)算等現(xiàn)代編程技術(shù)用于分波計(jì)算，分析效率相較于傳統(tǒng)CPU并行計(jì)算可提升約200倍。蔣藝介紹，這是TF-PWA最大的特點(diǎn)。此外，TF-PWA程序自動(dòng)化高、通用性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)。最重要的是，該工具相對(duì)容易操作，學(xué)弟學(xué)妹們通常一周左右的時(shí)間就能夠上手了。
“這個(gè)過(guò)程中最難的階段是要與已有程序的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。”蔣藝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“由于分波分析公式復(fù)雜且有多個(gè)等價(jià)“變種”，我們做了很多對(duì)比，一步步調(diào)整細(xì)節(jié)。”蔣藝與劉寅?；ポ^互檢，結(jié)合團(tuán)隊(duì)其他成員的輔助檢查，逐步優(yōu)化編程，直至完全吻合。劉寅睿是2016級(jí)本科生，也是團(tuán)隊(duì)的骨干成員，他物理基礎(chǔ)好，負(fù)責(zé)物理過(guò)程公式推導(dǎo)和功能實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過(guò)大半年的攻關(guān)，軟件的基本雛形終于建立了。鄭陽(yáng)恒坦承，“背后的工作非常枯燥，必須真正靜下心來(lái)做。”
那段時(shí)間，錢(qián)文斌和呂曉睿帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員每周至少討論一次，蔣藝和劉寅睿除了上課，剩下時(shí)間也全部投入其中。“本身也挺感興趣的，看到軟件的價(jià)值不斷體現(xiàn)，就不會(huì)覺(jué)得枯燥和勞累了。”劉寅睿和蔣藝不約而同地說(shuō)道。
如今，作為一項(xiàng)基礎(chǔ)軟件，TF-PWA逐漸被國(guó)內(nèi)外諸多團(tuán)隊(duì)所認(rèn)可，不斷地在發(fā)現(xiàn)新粒子、新現(xiàn)象中大顯身手。劉寅睿也赴芝加哥大學(xué)攻讀物理學(xué)博士。
獨(dú)特的“科教融合”優(yōu)勢(shì)
“平臺(tái)，就是我們的核心競(jìng)爭(zhēng)力。”鄭陽(yáng)恒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，國(guó)科大學(xué)術(shù)方向全，資源平臺(tái)機(jī)會(huì)多，學(xué)生可以通過(guò)試錯(cuò)，尋找自己的科研興趣點(diǎn)。
國(guó)科大物理科學(xué)學(xué)院依托中國(guó)科學(xué)院物理研究所、高能所、理論所等10多個(gè)物理領(lǐng)域的研究所，深度參與了極端條件綜合中心、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)裝置、蘭州重離子加速器、散裂中子源等一批國(guó)家大科學(xué)裝置的科研工作，與國(guó)際大型粒子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也有著持續(xù)且深入的合作。
國(guó)科大物理學(xué)院的本科培養(yǎng)體系是在前任院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士高鴻鈞，與現(xiàn)任院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士方忠及學(xué)院黨委的領(lǐng)導(dǎo)下建立和發(fā)展起來(lái)的，“因材施教”“以學(xué)生為中心”是人才培養(yǎng)的核心理念。鄭陽(yáng)恒根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)挑選有挑戰(zhàn)性的題目交給本科生，“只要是學(xué)生能干，有興趣，對(duì)培養(yǎng)有利，我們都愿意提供足夠多的機(jī)會(huì)和資源。”鄭陽(yáng)恒說(shuō)。
除了最前沿的科研儀器，國(guó)科大物理科學(xué)學(xué)院提供的機(jī)會(huì)還有來(lái)自國(guó)際一流學(xué)術(shù)“導(dǎo)師”的指導(dǎo)。
國(guó)科大博士生馬瑞廷也是這項(xiàng)成果參與人之一，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析等工作。今年，在第41屆國(guó)際高能物理大會(huì)上，他代表LHCb實(shí)驗(yàn)組對(duì)新四夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)研究做了口頭學(xué)術(shù)報(bào)告。短短15分鐘報(bào)告，他得到了來(lái)自該領(lǐng)域國(guó)際最頂尖的專(zhuān)家評(píng)委的指導(dǎo)。他報(bào)告結(jié)果也在會(huì)議總結(jié)報(bào)告中被突出強(qiáng)調(diào)。
“‘大佬們’功力深厚，提的問(wèn)題很尖銳，不好回答，跟他們打交道時(shí)有些緊張。”馬瑞廷坦承。但在這個(gè)過(guò)程中，他看到了最優(yōu)秀的一批科學(xué)家如何做研究，開(kāi)拓了視野，更堅(jiān)定自己“要做就做最前沿、最好的科學(xué)研究。”
“科研挑戰(zhàn)并不容易，只要學(xué)生不放棄，遇到任何問(wèn)題，我們都可以幫助，實(shí)在解決不了的，我們可以找領(lǐng)域其他頂尖專(zhuān)家們一起討論解決。”錢(qián)文斌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
對(duì)物理學(xué)院的教師們來(lái)說(shuō)，這也是一次“教學(xué)相長(zhǎng)”的成功案例。呂曉睿和錢(qián)文斌說(shuō)，這里科研環(huán)境好、團(tuán)隊(duì)合作精神強(qiáng)，他們能夠與學(xué)生一起進(jìn)步，“我們培養(yǎng)的學(xué)生出國(guó)后，甚至可以吸引優(yōu)秀青年人才到國(guó)科大任教，這也讓我們很有成就感。”
從蔣藝和劉寅睿的培養(yǎng)過(guò)程中，鄭陽(yáng)恒看到了人才的兩種不同特點(diǎn)。一種內(nèi)斂、悶聲干事；另一種溝通能力強(qiáng)，會(huì)主動(dòng)提出問(wèn)題。
“積極主動(dòng)溝通的學(xué)生，遇到問(wèn)題天天來(lái)問(wèn)，我可以幫忙解決和出主意，那不好意思提問(wèn)的同學(xué)，怎么辦？”鄭陽(yáng)恒覺(jué)得，老師們應(yīng)該主動(dòng)幫助學(xué)生。
為此，國(guó)科大成立了“玉泉書(shū)院”。
它借鑒了國(guó)際頂尖高校用于人才培養(yǎng)、師生交流的“書(shū)院制”，比如劍橋大學(xué)大名鼎鼎的三一學(xué)院、圣約翰學(xué)院、達(dá)爾文學(xué)院等，在書(shū)院這樣小而緊密的圈子里，師生同住，促進(jìn)溝通，開(kāi)闊學(xué)生的眼界。
“書(shū)院的核心就是不斷加強(qiáng)老師和學(xué)生的互動(dòng)，創(chuàng)造交流機(jī)會(huì)和條件。”鄭陽(yáng)恒說(shuō)。
他們每周至少一次面對(duì)面討論，每次六七名本科生，交流內(nèi)容不限，可以是訴說(shuō)困難分享經(jīng)驗(yàn)、也可以是分享最新的研究想法，還會(huì)組織前沿討論，一同利用假期到科研院所做研究......
在鄭陽(yáng)恒看來(lái)，形式不重要，最重要的是讓學(xué)生時(shí)常與導(dǎo)師交流、讓學(xué)生看到優(yōu)秀學(xué)者是怎么做研究的、遇到問(wèn)題是怎么思考的，同時(shí)導(dǎo)師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)興趣、了解前沿。
鄭陽(yáng)恒希望，從國(guó)科大走出去的本科生，應(yīng)成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)合作中的“種樹(shù)人”，而非僅是“摘果子者”，“要想在大型國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)中處于有利地位，必須要‘種樹(shù)’，開(kāi)發(fā)科研中的軟件工具就是通過(guò)本科培養(yǎng)種下的大‘樹(shù)’，未來(lái)，我們還會(huì)繼續(xù)種新的樹(shù)。”
團(tuán)隊(duì)成員正在討論軟件進(jìn)程，劉寅睿遠(yuǎn)程參加討論（從左至右：劉寅睿、蔣藝、呂曉睿、馬瑞廷、錢(qián)文斌、鄭陽(yáng)恒） 受訪者供圖
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