一场教学相长的多赢“实验”

  • 记者 韩扬眉 (中国科学报)
  • 创建于 2022-09-07
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  这原本不是一场“志在必得”的竞赛,但现在看来,他们的确“赢了”。

  今年7月,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上底夸克物理实验(LHCb)国际合作组宣布发现了3个新奇特态粒子。其中两个“四夸克态”强子由中国科学院大学(以下简称国科大)粒子物理实验团队主导发现。这为确认自然界中存在超出常规重子与介子的新物质形态提供了全新的实验证据,将加深人类对宇宙中物质最基本结构的理解。

  英国曼彻斯特大学教授、LHCb实验合作组负责人克里斯·帕克斯教授评价:“此次新四夸克态发现的数据处理依赖于几位中国同事开发的软件工具。”

  而这“几位中国同事”中的核心骨干包括国科大的两位本科生和一位研究生。在粒子物理实验团队负责人、国科大物理科学学院副院长郑阳恒看来,如果学生有兴趣,加上足够的知识储备和合适的研究平台,本科生也能作出重要科研成果。

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团队成员正在讨论软件进程,从左至右为蒋艺、吕晓睿、马瑞廷、钱文斌、郑阳恒,刘寅睿线上参会。  受访者供图 

挑战最难的技术

  2014年,国科大首次招收本科生,以培养“未来科学家”为目标,依托中国科学院科研院所资源,以“科教融合”为理念,开展本科生培养。

  郑阳恒带领的国科大粒子物理实验团队是北京正负电子对撞机BESIII实验与LHCb实验的重要合作组成员,长期致力于四夸克奇特强子态研究。一开始,郑阳恒只是抱着培养本科生的心态,让学生参与实验工作。

  蒋艺是国科大物理学院第二届本科生,他的导师、物理学院长聘副教授钱文斌用“内秀”形容蒋艺,“话不多,闷声干事”。

  在考研复试现场,钱文斌第一次见到蒋艺。他告诉《中国科学报》,蒋艺的综合成绩并不出众,物理成绩也不是最优秀的。“面试时,我们问了他一些研究生阶段的粒子物理问题,他居然都回答出来了,而且理解比较深刻。”就这样,蒋艺作为硕士研究生,被国科大物理学院录取。

  此后不久,物理学院特聘教授、BESIII实验合作组共同负责人吕晓睿通过郑阳恒了解到,蒋艺的计算机功底非常扎实,便提议蒋艺参与到具有挑战性的分波分析工作上来。

  这一提议后来促成了上述新发现所依赖的基础软件——TF-PWA通用振幅分析工具的开发。该软件用于大型粒子物理实验数据的分波分析。

  “分波分析是认识粒子特性本质、发现一些新粒子无法绕开的手段。”郑阳恒告诉《中国科学报》,一直以来,由于分波分析学习门槛高、现有工具通用性较低、计算速度慢,使得一些相关研究难以取得重大突破。

  过去,他们也考虑过开发分波分析的通用软件,但由于条件不成熟,想法被搁置。直到2017年,钱文斌回国入职国科大,因其具有丰富的分波分析经验,事情出现了转机。

  郑阳恒找到钱文斌、吕晓睿讨论并决定,共同推动开发一个通用性好、容易上手的分波分析基础软件工具。

  “我们在BESIII实验和LHCb实验上的数据已经积累到了一定程度,分波分析研究成了必要的研究手段。”吕晓睿告诉《中国科学报》。

  几年来,钱文斌和吕晓睿一直在寻找突破口。蒋艺的加入,更坚定了团队马上行动的决心。郑阳恒坦承,把粒子物理实验中最难的技术之一交给本科生来做,能否成功,一开始他们并没有抱太大期待。

“背后工作很枯燥,必须真正静下心来做”

  最关键的一步是,基于何种方式开发软件设计框架。这关系到软件的性能和效率。

  那段时间,钱文斌和蒋艺做了大量调研和尝试。他们找到了当时几乎所有的分波分析工具、GPU计算工具,然后编程运算,验证性能。调研中,他们发现,不同学者有着不同的想法,无法“决出高下”。

  为此,钱文斌、吕晓睿专门召开了一次研讨会,邀请中科院高能物理研究所、清华大学等院校的众多专家,分析讨论了每个方法的优劣和特点,最终确定选择谷歌开发的开源软件库“TensorFlow2”。

  经过不懈努力,蒋艺基于“TensorFlow2”,成功将GPU并行计算、自动微分和矢量运算等现代编程技术用于分波计算,部分环节分析效率相较于传统CPU并行计算可提升约200倍。此外,TF-PWA程序自动化高、通用性好、可扩展性强。最重要的是,该工具相对容易操作,学弟学妹们通常一周左右就能上手了。

  “这个过程中,最难的是要与已有程序的结果进行比对。”蒋艺告诉《中国科学报》,“由于分波分析公式复杂且有多个等价‘变种’,我们做了很多对比,一步步调整细节。”蒋艺与刘寅睿互校互检,结合团队其他成员的辅助检查,逐步优化编程,直至完全吻合。刘寅睿是国科大2016级本科生,也是团队骨干成员。他物理基础好,负责物理过程公式推导和功能实现。

  经过大半年的攻关,软件终于有了基本雏形。郑阳恒坦承:“背后的工作很枯燥,必须真正静下心来做。”

  如今,作为一项基础软件,TF-PWA逐渐被国内外诸多团队认可,不断在发现新粒子、新现象中大显身手。刘寅睿也赴美国芝加哥大学攻读物理学博士。

“科教融合”的优势

  “平台,就是我们的核心竞争力。”郑阳恒告诉《中国科学报》,国科大学术方向全、资源平台机会多,学生可以通过试错,寻找自己的科研兴趣点。

  国科大物理学院依托中科院物理研究所、高能物理研究所、理论物理研究所等十多个物理领域的研究所,深度参与了极端条件综合中心、北京正负电子对撞机、大亚湾反应堆中微子实验装置、兰州重离子加速器、散裂中子源等一批国家大科学装置的科研工作,与国际大型粒子物理实验平台也有着持续且深入的合作。

  物理学院的本科培养体系是在前任院长、中科院院士高鸿钧,与现任院长、中科院院士方忠及学院党委的领导下建立和发展起来的,“因材施教”“以学生为中心”是人才培养的核心理念。

  除了最前沿的科研仪器外,物理学院还为学生提供国际一流学术导师的指导。

  国科大博士生马瑞廷也是这项成果的参与人之一,负责数据分析等工作。今年,在第41届国际高能物理大会上,他代表LHCb实验合作组对新四夸克态的发现研究作了口头学术报告,并得到了该领域国际顶尖专家评委的指导。

  “‘大佬们’功力深厚,提的问题很尖锐、不好回答,跟他们打交道时有些紧张。”马瑞廷坦承。但在这个过程中,他领略了最优秀的一批科学家做研究的思路和方式,开拓了视野。

  对物理学院的教师来说,这也是一次“教学相长”的成功案例。吕晓睿和钱文斌说,因为科研环境好、团队合作精神强,他们能够与学生一起进步。

  从蒋艺和刘寅睿的培养过程中,郑阳恒看到了人才的两种不同特点—— 一种内敛,闷声干事;另一种沟通能力强,会主动提出问题。“积极主动沟通的学生,遇到问题就会问,我可以帮忙解决和出主意。那不好意思提问的同学怎么办?”郑阳恒觉得,老师们应该主动帮助学生。

  借鉴国际顶尖高校,比如剑桥大学大名鼎鼎的三一学院、圣约翰学院、达尔文学院等用于人才培养、师生交流的“书院制”,国科大成立了玉泉书院。在书院这样小而紧密的圈子里,师生同住,促进沟通。

  “书院的核心就是不断加强老师和学生的互动,创造交流机会和条件。”郑阳恒说。他们每周至少有一次面对面讨论,每次六七名本科生。交流内容不限,可以诉说困难,也可以分享经验,还可以利用假期到科研院所作研究……

  郑阳恒希望,从国科大这样团结合作的氛围中走出去的本科生,能成为国际竞争合作中的“种树人”,而不仅是“摘果子者”。“要想在大型国际合作实验中处于有利地位,必须‘种树’。开发科研中的软件工具就是通过本科培养种下的大‘树’。未来,我们还会继续种新的‘树’。”

 

《中国科学报》 (2022-09-07 第1版 要闻 原标题为《一场教学相长的多赢“实验”》)

责任编辑:脱畅