這原本不是一場“志在必得”的競賽，但現(xiàn)在看來，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子對撞機上底夸克物理實驗（LHCb）國際合作組宣布，發(fā)現(xiàn)了三個新奇特態(tài)粒子。其中兩個“四夸克態(tài)”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(fā)現(xiàn)，這是首次在實驗上發(fā)現(xiàn)雙電荷“四夸克態(tài)”強子，而且是同時發(fā)現(xiàn)兩種全新夸克組分的強子伙伴。這為確認自然界中存在超出常規(guī)重子與介子的新物質(zhì)形態(tài)提供了全新的實驗證據(jù)，將加深人類對宇宙中物質(zhì)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里斯·帕克斯教授評價：“此次新四夸克態(tài)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理依賴于幾位中國同事開發(fā)的軟件工具。”
而這“幾位中國同事”中的核心骨干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適的研究平臺，本科生也能作出重要科研成果。
嘗試挑戰(zhàn)最難的技術
2014年，國科大首次招收本科生，以培養(yǎng)“未來科學家”為目標，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(yǎng)。
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，長期致力于四夸克奇特強子態(tài)的研究。
一開始，鄭陽恒只是抱著培養(yǎng)本科生的心態(tài)，讓學生參與實驗工作，并未期待一定要產(chǎn)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“內(nèi)秀”形容蔣藝，“話不多，悶聲干事”。
在考研復試現(xiàn)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眾，物理成績也不是最優(yōu)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。
不久之后，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扎實，便提議由蔣藝參與到具有挑戰(zhàn)的分波分析工作上來。
這一提議后來促成了上述新發(fā)現(xiàn)所依賴的基礎軟件——TF-PWA通用振幅分析工具的開發(fā)，該軟件用于大型粒子物理實驗數(shù)據(jù)的分波分析。
為什么分波分析工具如此重要？
“分波分析是認識粒子特性本質(zhì)、發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(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(jīng)驗，事情出現(xiàn)了轉機。
鄭陽恒找到錢文斌、呂曉睿討論并決定，共同推動開發(fā)一個通用性好、容易上手的分波分析基礎軟件工具，將來能夠吸引更多的優(yōu)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(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。
“背后工作很枯燥，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(fā)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(diào)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，然后編程運算，驗證它們的性能。
調(diào)研中，他們發(fā)現(xiàn)，不同學者有著不同的想法，無法“決出高下”。為此，錢文斌、呂曉睿專門召開了一個研討會，邀請中科院高能所、清華大學等院校的眾多專家，分析討論了每個方法優(yōu)劣特點，最終確定選擇谷歌開發(fā)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(jīng)過不懈努力，蔣藝成功地基于“TensorFlow2”將GPU并行計算、自動微分和矢量運算等現(xiàn)代編程技術用于分波計算，分析效率相較于傳統(tǒng)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》，“由于分波分析公式復雜且有多個等價“變種”，我們做了很多對比，一步步調(diào)整細節(jié)。”蔣藝與劉寅?；ポ^互檢，結合團隊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級本科生，也是團隊的骨干成員，他物理基礎好，負責物理過程公式推導和功能實現(xiàn)。
經(jīng)過大半年的攻關，軟件的基本雛形終于建立了。鄭陽恒坦承，“背后的工作非?？菰?，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討論一次，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(xiàn)，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逐漸被國內(nèi)外諸多團隊所認可，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攻讀物理學博士。
獨特的“科教融合”優(yōu)勢
“平臺，就是我們的核心競爭力。”鄭陽恒告訴《中國科學報》，國科大學術方向全，資源平臺機會多，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臺也有著持續(xù)且深入的合作。
國科大物理學院的本科培養(yǎng)體系是在前任院長、中國科學院院士高鴻鈞，與現(xiàn)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(fā)展起來的，“因材施教”“以學生為中心”是人才培養(yǎng)的核心理念。鄭陽恒根據(jù)學生的特點挑選有挑戰(zhàn)性的題目交給本科生，“只要是學生能干，有興趣，對培養(yǎng)有利，我們都愿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(shù)據(jù)分析等工作。今年，在第41屆國際高能物理大會上，他代表LHCb實驗組對新四夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)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(diào)。
“‘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(yōu)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(zhàn)并不容易，只要學生不放棄，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討論解決。”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，這里科研環(huán)境好、團隊合作精神強，他們能夠與學生一起進步，“我們培養(yǎng)的學生出國后，甚至可以吸引優(yōu)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(yǎng)過程中，鄭陽恒看到了人才的兩種不同特點。一種內(nèi)斂、悶聲干事；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，怎么辦？”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(yǎng)、師生交流的“書院制”，比如劍橋大學大名鼎鼎的三一學院、圣約翰學院、達爾文學院等，在書院這樣小而緊密的圈子里，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(chuàng)造交流機會和條件。”鄭陽恒說。
他們每周至少一次面對面討論，每次六七名本科生，交流內(nèi)容不限，可以是訴說困難分享經(jīng)驗、也可以是分享最新的研究想法，還會組織前沿討論，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(yōu)秀學者是怎么做研究的、遇到問題是怎么思考的，同時導師引導學生發(fā)現(xiàn)興趣、了解前沿。
鄭陽恒希望，從國科大走出去的本科生，應成為國際競爭合作中的“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(fā)科研中的軟件工具就是通過本科培養(yǎng)種下的大‘樹’，未來，我們還會繼續(xù)種新的樹。”
團隊成員正在討論軟件進程，劉寅睿遠程參加討論（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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