來源：【科學網】

這原本不是一場“志在必得”的競賽，但現在看來，他們的确“赢了”。

今年7月，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上底誇克物理實驗（LHCb）國際合作組宣布，發現了三個新奇特态粒子。其中兩個“四誇克态”強子由中國科學院大學（以下簡稱國科大）粒子物理實驗團隊主導發現，這是首次在實驗上發現雙電荷“四誇克态”強子，而且是同時發現兩種全新誇克組分的強子夥伴。這為确認自然界中存在超出常規重子與介子的新物質形态提供了全新的實驗證據，将加深人類對宇宙中物質最基本結構的理解。

英國曼切斯特大學教授，LHCb實驗合作組負責人克裡斯·帕克斯教授評價：“此次新四誇克态發現的數據處理依賴于幾位中國同事開發的軟件工具。”

而這“幾位中國同事”中的核心骨幹包含國科大的兩位本科生和一位研究生。

在粒子物理實驗團隊負責人、國科大物理科學學院副院長鄭陽恒看來，如果學生有興趣，加上足夠的知識儲備和合适的研究平台，本科生也能作出重要科研成果。

嘗試挑戰最難的技術

2014年，國科大首次招收本科生，以培養“未來科學家”為目标，依托中國科學院科研院所資源，以“科教融合”為理念，開展本科生培養。

鄭陽恒所帶領的國科大粒子物理實驗團隊是正負電子對撞機BESIII實驗與歐洲核子研究中心大型強子對撞機LHCb實驗的重要合作組成員，長期緻力于四誇克奇特強子态的研究。

一開始，鄭陽恒隻是抱着培養本科生的心态，讓學生參與實驗工作，并未期待一定要産出重要的科學成果。

蔣藝是國科大物理學院第二屆本科生，他的導師、物理學院長聘副教授錢文斌用“内秀”形容蔣藝，“話不多，悶聲幹事”。

在考研複試現場，錢文斌第一次見到蔣藝。他告訴《中國科學報》，蔣藝的綜合成績并不出衆，物理成績也不是最優秀的。“面試時，我們問了他一些研究生階段的粒子物理問題，他居然都回答出來了，而且理解的比較深刻。”就這樣，蔣藝作為碩士研究生，再次被國科大物理學院錄取。

不久之後，物理學院特聘教授、北京正負電子對撞機BESIII實驗合作組共同負責人呂曉睿與鄭陽恒了解到，蔣藝的計算機功底非常紮實，便提議由蔣藝參與到具有挑戰的分波分析工作上來。

這一提議後來促成了上述新發現所依賴的基礎軟件——TF-PWA通用振幅分析工具的開發，該軟件用于大型粒子物理實驗數據的分波分析。

為什麼分波分析工具如此重要？

“分波分析是認識粒子特性本質、發現一些新粒子無法繞開的手段。”鄭陽恒告訴《中國科學報》，一直以來，由于分波分析學習門檻高、現有工具通用性較低、計算速度慢，使得一些相關研究難以取得重大突破。

過去，他們不是沒有考慮過開發分波分析的通用軟件，但由于各種條件不成熟，想法被暫時擱置。直到2017年，錢文斌回國入職國科大，由于他具有豐富的分波分析經驗，事情出現了轉機。

鄭陽恒找到錢文斌、呂曉睿讨論并決定，共同推動開發一個通用性好、容易上手的分波分析基礎軟件工具，将來能夠吸引更多的優秀人才參與相關工作，形成更大的國際影響力。

“我們在BESIII（北京譜儀III）和LHCb實驗上的數據已經積累到了一定程度，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《中國科學報》。

幾年來，錢文斌和呂曉睿一直在尋找突破口。蔣藝的加入，更堅定了團隊馬上行動的決心。

鄭陽恒坦承，把粒子物理實驗中最難的技術之一交給本科生來做，能否成功，一開始，他們并沒有抱太大期待。

“背後工作很枯燥，必須真正靜下心來做”

最關鍵的一步，是基于何種方式去開發軟件設計框架，這關系到軟件的性能和效率。

那段時間，錢文斌和蔣藝做了大量的調研和嘗試。他們找到了當時幾乎所有的分波分析工具、GPU計算工具，然後編程運算，驗證它們的性能。

調研中，他們發現，不同學者有着不同的想法，無法“決出高下”。為此，錢文斌、呂曉睿專門召開了一個研讨會，邀請中科院高能所、清華大學等院校的衆多專家，分析讨論了每個方法優劣特點，最終确定選擇谷歌開發的開源軟件庫“TensorFlow2”，因為它較為完善地支持了分波分析的各種需求。

經過不懈努力，蔣藝成功地基于“TensorFlow2”将GPU并行計算、自動微分和矢量運算等現代編程技術用于分波計算，分析效率相較于傳統CPU并行計算可提升約200倍。蔣藝介紹，這是TF-PWA最大的特點。此外，TF-PWA程序自動化高、通用性好、可擴展性強。最重要的是，該工具相對容易操作，學弟學妹們通常一周左右的時間就能夠上手了。

“這個過程中最難的階段是要與已有程序的結果進行比對。”蔣藝告訴《中國科學報》，“由于分波分析公式複雜且有多個等價“變種”，我們做了很多對比，一步步調整細節。”蔣藝與劉寅睿互較互檢，結合團隊其他成員的輔助檢查，逐步優化編程，直至完全吻合。劉寅睿是2016級本科生，也是團隊的骨幹成員，他物理基礎好，負責物理過程公式推導和功能實現。

經過大半年的攻關，軟件的基本雛形終于建立了。鄭陽恒坦承，“背後的工作非常枯燥，必須真正靜下心來做。”

那段時間，錢文斌和呂曉睿帶領團隊成員每周至少讨論一次，蔣藝和劉寅睿除了上課，剩下時間也全部投入其中。“本身也挺感興趣的，看到軟件的價值不斷體現，就不會覺得枯燥和勞累了。”劉寅睿和蔣藝不約而同地說道。

如今，作為一項基礎軟件，TF-PWA逐漸被國内外諸多團隊所認可，不斷地在發現新粒子、新現象中大顯身手。劉寅睿也赴芝加哥大學攻讀物理學博士。

獨特的“科教融合”優勢

“平台，就是我們的核心競争力。”鄭陽恒告訴《中國科學報》，國科大學術方向全，資源平台機會多，學生可以通過試錯，尋找自己的科研興趣點。

國科大物理科學學院依托中國科學院物理研究所、高能所、理論所等10多個物理領域的研究所，深度參與了極端條件綜合中心、北京正負電子對撞機、大亞灣反應堆中微子實驗裝置、蘭州重離子加速器、散裂中子源等一批國家大科學裝置的科研工作，與國際大型粒子物理實驗平台也有着持續且深入的合作。

國科大物理學院的本科培養體系是在前任院長、中國科學院院士高鴻鈞，與現任院長、中國科學院院士方忠及學院黨委的領導下建立和發展起來的，“因材施教”“以學生為中心”是人才培養的核心理念。鄭陽恒根據學生的特點挑選有挑戰性的題目交給本科生，“隻要是學生能幹，有興趣，對培養有利，我們都願意提供足夠多的機會和資源。”鄭陽恒說。

除了最前沿的科研儀器，國科大物理科學學院提供的機會還有來自國際一流學術“導師”的指導。

國科大博士生馬瑞廷也是這項成果參與人之一，負責數據分析等工作。今年，在第41屆國際高能物理大會上，他代表LHCb實驗組對新四誇克态的發現研究做了口頭學術報告。短短15分鐘報告，他得到了來自該領域國際最頂尖的專家評委的指導。他報告結果也在會議總結報告中被突出強調。

“‘大佬們’功力深厚，提的問題很尖銳，不好回答，跟他們打交道時有些緊張。”馬瑞廷坦承。但在這個過程中，他看到了最優秀的一批科學家如何做研究，開拓了視野，更堅定自己“要做就做最前沿、最好的科學研究。”

“科研挑戰并不容易，隻要學生不放棄，遇到任何問題，我們都可以幫助，實在解決不了的，我們可以找領域其他頂尖專家們一起讨論解決。”錢文斌告訴《中國科學報》。

對物理學院的教師們來說，這也是一次“教學相長”的成功案例。呂曉睿和錢文斌說，這裡科研環境好、團隊合作精神強，他們能夠與學生一起進步，“我們培養的學生出國後，甚至可以吸引優秀青年人才到國科大任教，這也讓我們很有成就感。”

從蔣藝和劉寅睿的培養過程中，鄭陽恒看到了人才的兩種不同特點。一種内斂、悶聲幹事；另一種溝通能力強，會主動提出問題。

“積極主動溝通的學生，遇到問題天天來問，我可以幫忙解決和出主意，那不好意思提問的同學，怎麼辦？”鄭陽恒覺得，老師們應該主動幫助學生。

為此，國科大成立了“玉泉書院”。

它借鑒了國際頂尖高校用于人才培養、師生交流的“書院制”，比如劍橋大學大名鼎鼎的三一學院、聖約翰學院、達爾文學院等，在書院這樣小而緊密的圈子裡，師生同住，促進溝通，開闊學生的眼界。

“書院的核心就是不斷加強老師和學生的互動，創造交流機會和條件。”鄭陽恒說。

他們每周至少一次面對面讨論，每次六七名本科生，交流内容不限，可以是訴說困難分享經驗、也可以是分享最新的研究想法，還會組織前沿讨論，一同利用假期到科研院所做研究......

在鄭陽恒看來，形式不重要，最重要的是讓學生時常與導師交流、讓學生看到優秀學者是怎麼做研究的、遇到問題是怎麼思考的，同時導師引導學生發現興趣、了解前沿。

鄭陽恒希望，從國科大走出去的本科生，應成為國際競争合作中的“種樹人”，而非僅是“摘果子者”，“要想在大型國際合作實驗中處于有利地位，必須要‘種樹’，開發科研中的軟件工具就是通過本科培養種下的大‘樹’，未來，我們還會繼續種新的樹。”

團隊成員正在讨論軟件進程，劉寅睿遠程參加讨論（從左至右：劉寅睿、蔣藝、呂曉睿、馬瑞廷、錢文斌、鄭陽恒） 受訪者供圖

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