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探索粒子之间碰撞数据和寻找宇宙的起源线索

2022-03-21 16:39     来源:麻省理工学院     大型强子对撞机 粒子加速器

粒子物理学家 Yen-Jie Lee 说,在全球舞台上做出发现的兴奋“比压力大得多”。

当 Yen-Jie Lee 2006 年以研究生的身份来到麻省理工学院时,有点文化冲击。这位有抱负的粒子物理学家曾在台湾大学学习物理学,之后他的职业生涯在台湾的森林山区中断。在那里,他担任海军陆战队中尉,以履行国家规定的兵役义务。他还记得炮火演习的震耳欲聋的噼啪声和日常军事生活的不屈不挠的压力。

“那次经历使我成为一个受压力影响较小的人,”李回忆道。“但是在猴子森林里生活了两年后,我的英语很糟糕,我觉得我已经忘记了我所学的所有物理知识。”

然而,在他的服务即将结束时,李申请了博士课程,其中包括美国的几个。当他访问 MIT 时,他与物理学教授 Wit Busza 产生了直接的亲缘关系。

“尽管他因为我的口音而听不懂我,但我们认为我们都是很棒的人,最终我决定试一试,”Lee 说。“来到麻省理工学院彻底改变了我的生活。”
 

麻省理工学院实验粒子物理学家 Yen-Jie Lee 探索粒子碰撞数据以寻找宇宙起源的线索。信用:布莱斯维克马克

作为 Busza 小组的一名研究生,Lee 在粒子物理学的关键时刻有一个职业生涯塑造机会去日内瓦。在那里,科学家们正准备开启世界上最大、最强大的粒子加速器——大型强子对撞机大型强子对撞机产生的粒子碰撞预计会产生类似于早期宇宙的条件,并可能产生全新的、不可预测的现象。

Lee 发现自己是分析团队的核心,在那里他很快学会了用英语和物理方程与其他科学家交流。他最终帮助测量和解释了大型强子对撞机的一些首次碰撞——李认为他的军事训练帮助他保持专注,他欣然接受了备受期待的分析。

“有几千名合作者,每个人都对这个物理学感兴趣,我是第一个了解数据的人,”李说。“对我来说,这些第一次测量的兴奋比压力大得多。”

从早期开始,李就一直在利用大型强子对撞机的数据寻找宇宙起源的线索。在麻省理工学院,他现在是物理学的终身副教授,他正在寻找粒子碰撞极端后果中的模式和相互作用,这可能会告诉我们宇宙是如何形成的。这些实验还可能揭示其他极端环境的内部运作,例如中子星。

“每次我们收集一小部分信息,我们就会对早期宇宙了解更多一点,”他说。“这让我想知道更多。”

“自然法则”

李出生于台湾中西部工业直辖市台中市。长大后,他记得被数学和物理所吸引,尽管在高中时他很少上课。繁忙的科学比赛日程经常使他无法上学,因为他经常被选为他的高中代表参加全国科学博览会和数学、物理、化学和计算方面的问题解决竞赛。

“这对我来说就像一种教育,”他说。
 

“每次我们收集一小部分信息,我们就会对早期宇宙了解更多一点,”李说。“这让我想知道更多。” 信用:布莱斯维克马克

在跨多个科目竞争后,李意识到他最感兴趣的一门是:物理。当他进入台湾国立大学读本科时,第一年他进行了一系列物理实习,包括在光学实验室工作、协助研究超导体以及在天文台露营以追踪星星。正是在实验粒子物理学方面的实习,让他的学术生涯开始了。

Lee 在 Belle 实验中担任实习生,这是一个在日本筑波的 KEKB 粒子加速器中运行的粒子物理实验。加速器旨在将电子与正电子(电子的反物质对应物)碰撞。当它们碰撞时,电子和正电子在一阵子粒子中湮灭。包括李在内的科学家们寻找外来粒子的迹象,并追踪了湮灭后稀有粒子的衰变。

“我从这个非常简单的系统中获得了很多乐趣,”Lee 说,他的本科和硕士论文都是基于 Belle 的实验数据。“这让我想学习自然法则,以及我们是否能找到涉及粒子探测的新物理和新现象。”

喷气式旅行

在台湾服完兵役后,Lee 来到麻省理工学院并与他的顾问 Busza 一起在 LHC 工作,在那里加速器正准备碰撞重离子以产生比电子和正电子之间的碰撞更复杂和奇异的粒子混合物。

“重离子碰撞创造了一个大约 5 万亿度的环境,我们可以看到这个系统冷却下来,”Lee 说。“这与早期宇宙的路径基本相同,大爆炸后 10 微秒。”

Lee 热衷于探索重离子碰撞的后果,尽管当时最初的实验涉及的质子之间的碰撞不太复杂。碰巧的是,李被安排在研究团队中撰写第一篇物理学论文,报告这些初始质子-质子实验的结果。

大型强子对撞机在李博士即将结束时开始进行第一次重离子实验,他能够分析这些备受期待的运行中的一些第一批数据。通过这些分析,他发现了碰撞中产生的快速移动的夸克,这些夸克在喷流中穿过产生的等离子体。

“这就像看子弹穿过水一样,”李说。“我们可以看到子弹尾随的尾流,并可以用它来了解水的声音传播。这些喷流也是如此,我们可以使用夸克来了解早期宇宙的声音。”

2013 年,Lee 接受了加入麻省理工学院物理系的邀请,成为相对论重离子组的成员,在那里他继续领导对大型强子对撞机重离子数据的分析,并正在开发寻找奇异粒子和新粒子的新技术。 ,不可预知的现象。

“在麻省理工学院,压力非常大,有时会感到兴奋,有时也会觉得自己做得不如预期,”Lee 说。“但我们小组的同事 Gunther Roland 和 Bolek Wyslouch 已经构建了一个非常支持的环境。我对此非常感激。”

他也很感激有机会通过他的物理学生涯看到这个世界。他曾在 30 多个国家发表演讲和参加会议,并在许多国家长期逗留,以体验新的视角。

“在访问其他国家时,我会尝试停留一两个月,了解不同的人如何过日常生活,”李说。“以前,我不认为我会离开台湾。我很幸运能够体验到如此多的差异。”



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