于福升：多年攻坚破解“宇宙物质起源”谜题

“宇宙为何偏爱物质？”

兰大给出关键线索！

兰大于福升团队5年攻坚

率先在重子衰变中提出CP破坏理论预言

与欧洲LHCb实验结果高度吻合

兰大理论预言首获实验证实

为 “宇宙偏爱物质” 点亮关键光

人作为物质，从何而来？

       这是兰州大学核科学与技术学院于福升教授关注的问题。

       在138亿年前宇宙大爆炸产生的创世级“能量爆发”中，每产生一个物质粒子，就成对出现一个反物质粒子。它们像镜子里的双胞胎，质量相同、电荷相反。这是当前解释宇宙诞生原因最主流的大爆炸理论。

       然而现实是，我们能看到的比如地球、人、桌子等都由物质构成，反物质却几乎看不见。这一“宇宙物质起源”谜题被《Science》列入本世纪125个重大科学问题之一。

       明明是对称的开端，为何走向了不对称的结局？一代代科学家研究发现，粒子“衰变”时可能藏着答案。如果把粒子及其反粒子看成“礼盒”，按对称逻辑，两者应该以一模一样的步骤“拆盒分解”。但实验观测到它们的分解步骤并不相同，这种“分解方式的不对称”，被称为“CP破坏”。这种不对称可能就是导致物质比反物质多的关键。

       在今年，于福升团队通过持续5年的探索在重子衰变中提出了关于CP破坏的理论预言，为实验测量和寻找重子CP破坏提供了重要理论依据。近日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）国际合作组在《Nature》期刊发表重要研究结果，首次在重子衰变中观测到CP破坏现象，与于福升课题组此前的理论预言高度吻合，为解开“宇宙为何偏爱物质”这一终极谜题提供了重要线索。

啃硬骨头，重子CP破坏研究的转向

       从研究生阶段开始，于福升就开始关注CP破坏问题。2017年，于福升在理论上先后克服粲衰变和重子衰变两大难题，助力LHCb首次发现双粲重子，成果入选2017中国科学十大进展。2019年，于福升团队关于粲介子CP破坏问题的理论预言被实验证实，提出的因子化辅助的拓扑图方法成为当时国际上理解粲介子衰变最有效的理论方法。

       此前卓越的成果积累并没有让于福升满足与止步。在刚刚发现的粲介子CP破坏即将成为研究热点时，于福升决定转换研究对象。他认为自己在粲介子CP破坏领域的理论预言已形成成熟的研究成果，该方向的核心理论问题已得到有效解答。因此他决定去攀登理论物理学研究新的高峰，解决下一个更为重大的问题。

       过去六十年的实验观测中，科学家们发现的CP破坏现象均局限于含有正反两个夸克的介子系统。而含三个夸克的重子系统，如质子和中子，是构成宇宙可见物质的最主要成分，其CP破坏现象研究成果鲜少。重子衰变因动力学较介子更为复杂，其规律更难观测，该领域也成了粒子物理研究中“难啃的硬骨头”。理论物理学家与实验物理学家多次尝试未果后，逐渐降低了对这一领域的关注。

       尽管充满未知的挑战，经过半年的反复论证，于福升还是决定把接下来的研究对象转向重子系统的CP破坏研究。

       于福升形容：“粒子物理的理论研究就像是绘制藏宝图，而物理实验则更像是挖宝的过程。”根据于福升的判断，学界当时关于重子CP破坏的实验已经产生了足够多的数据量，相当于已经堆好了一座矿山，但若没有理论指导，实验便像是要在一座大山里“淘金”，盲目且效率极低。

       而于福升做的理论研究能及时告诉实验物理学家“不用挖整座山，只需要根据‘藏宝图’挖一个很具体的地方就够了”，让实验资源聚焦于有效方向，真正推动研究突破。

       在此前的研究工作中，于福升一直注重和实验物理学家的合作，由此积累了丰富的合作经验。在解决实际问题的研究导向下，于福升更关注“接地气、能落地”的理论研究，也更知道实验物理需要什么样的“寻宝图”。在此次的理论研究过程中，于福升团队也一直和实验团队保持着密切的联系，在研究过程中互相沟通同步进展。

重散射机制“破局”，解开重子衰变的复杂密码

       前路无可参照。研究过程充满的未知与不确定性，对于福升来说，是最为巨大的挑战。“作为导师，要为学生的学业负责，因此我一直面临着比较大的心理压力。”

       虽然对于项目难度有一定预期，但于福升没有预料到的是，这次的研究一开始便足足持续5年。

       研究开展到2021年，于福升对于当下的理论进展抱有很大的希望，认为已经提供了相对充足的理论基础支撑。但在合作的实验物理团队进行观测之后发现，结果并不如人意。

       “实验物理团队告诉我，他们下去一铲子捞上来全是‘沙子’，一块‘金子’都没有。”那一年，于福升遇到了自开展研究以来最为迷茫的时刻。

 

       此后，于福升重新调整研究预期，专注于理论问题的层层攻破。“理论里面可能遇到的任何一个问题我们几乎都考虑到了，可以用连蚊子都飞不出去的严密来形容。在你专注到所有问题都能够解决的时候，灵感才能迸发。”

       在技术问题的解决上，团队曾花费10个月时间解决一个存在发散与振荡的12重积分问题。因为问题难度巨大且没有借鉴经验，于福升与学生多次求教可能的“专家”，最终在与一位来校作报告的老师的交流中找到了解决思路。

       如果把粒子里的夸克比作舞者，介子就像“双人舞”，两人舞步相对简单，彼此的影响可通过公式计算；但重子是“三人舞”，这背后藏着数学和物理领域研究的核心难题——“三体问题”。

       经典力学里，两个天体的运动可通过万有引力公式精准预测轨迹，如地球绕太阳运动；可一旦加入第三个天体（如月球），三者间相互拉扯、彼此干扰的引力耦合会让运动轨迹陷入混沌，无法用简单解析公式完全描述，只能通过近似计算推测大致范围。而重子中三个夸克的相互作用，甚至比天体的引力耦合还要复杂，它们不仅抱在一起旋转、跳跃，还会相互碰撞、绕圈，甚至在运动中“反弹”，即“重散射”，也会临时形成不稳定的小团体——中间共振态。

       三体相互作用无法精确描述带来的本质局限，让过去对重子CP破坏的研究总是找不到清晰规律。这种巨大的“不确定性”，如同预言一头大象的体重范围是1吨到100吨，大象体重的具体数据仍然无法准确感知。而这是重子研究比介子研究更充满挑战性的核心原因，也让相关理论研究成为粒子物理领域最具挑战性的前沿课题之一。

       在艰难而未知的问题面前，于福升时刻保持着思索，频繁地与其他理论、实验家交流讨论。2024年年初，在北京大学访学的间隙，于福升找到了思路：如果理论无法实现精准预测，是不是可以借用实验数据？那是中午1点，在沙发上休息的片刻，于福升清楚地记得那个场景。之后他马上冲出门去找专家验证。半个世纪前已经被验证的π介子与核子散射实验数据，成为解决问题的关键。5月，另一部分技术问题的思路，同样是于福升在出差的飞机上产生的。

       2024年6月，于福升与博士生汪建鹏创新性地提出了一种基于重散射机制的重子CP破坏新理论。出于对实验测量的散射数据的创新应用，理论有效避免了中间共振态带来的高度不确定性，由此大幅提升了理论预言的精度。

       理论计算表明，在Λb0→(pπ+π−)K−过程中pπ+π−低质量区间的CP破坏值可达（5.6∼5.9）%，这一预测为实验测量和寻找重子CP破坏提供了重要理论依据。论文于2024年9月发表在《Chinese Physics C》上，兰州大学博士生汪建鹏为第一作者，于福升教授为通讯作者。最终，由北京大学高原宁院士和张艳席教授领导的LHCb团队，首次在重子衰变中观测到电荷共轭-宇称联合对称性（CP）破坏现象，在pπ+π−低质量区间测得的CP破坏值为（5.4±0.9±0.1）%，与于福升课题组此前的理论预言高度吻合。

       于福升的合作者，中国台湾中研院物理研究所李湘楠研究员评价说，“无论在国内外，花5年时间做一个课题的人很少。”也有合作者评价：“一个人一辈子做出来这样的一个成果已经足够好了。即使10年做出来也很成功。”

“挖宝”小队：“冷板凳”上的热血搭档

       扎根重子衰变CP破坏研究的5年间，课题组仅在2022年发表了一篇进展性文章。

       5年，专注一个充满未知的科学问题，不仅需要一个强大的团队负责人，考验着科研人员的专业能力和心理素质，更需要每一个成员有向着一个目标团结协作的热忱。

       搭建这样一个如今拥有国际影响力的高能物理学研究团队，于福升有自己的思路。出于对物理实验学科属性的重视，于福升先搭建实验团队，然后加强理论研究团队的建设。目前，团队7名研究人员已完整覆盖理论、数据分析、硬件、软件四大方向，于福升形容是“麻雀虽小，五脏俱全”。团队成员针对研究目标相互协作与补充，满足高能物理核心需求。

       得益于学校“青年研究员”政策的吸引和校内合作者于福升教授的感染，李培荣于2018年加入核科学与技术学院，作为青年研究员开展研究工作。目前已被聘任为教授，并于2024年获得国家级人才项目。

       于福升和青年研究员刘明珠、徐吉从事理论研究，为实验测量提供理论参考；青年研究员刘凯主要负责粒子物理实验中用于探测粒子的硬件设备如先进探测器的研发；捷克籍青年研究员Miroslav SAUR负责针对粒子碰撞产生的海量数据开发整套数据处理软件，支撑后续分析；李培荣和肖栋青年研究员负责分析实验数据，以及物理研究结果的最终呈现。团队成功加入超过千人的大型国际合作实验LHCb合作组和中国未来对撞机计划超级陶粲装置等，并在兰州大学建成LHCb最大的二级网格计算站点。

       一个新加入团队的老师，最关键的首先是研究生生源问题。于福升会将自己的优秀学生推荐给新老师，让新人更好融入团队、开展自己的课题。在开组会时，团队中同一研究方向的导师与学生也会一起开组会，互相学习，共同致力于研究问题的解决。于福升形容，“整个团队就像一个大家庭，有事一起商量，谁做出成果了我们也会一起庆祝。”

       重子CP破坏的首次发现，标志着粒子物理学取得了重大突破。而于福升团队的重子CP破坏理论，不仅破解了重子“三人舞”中因重散射导致的复杂机制难题，精准突破了长期困扰学界的理论预言不确定性瓶颈，为理解重子CP破坏的动力学规律提供了全新视角，更以“理论预言-实验验证”的完美闭环，首次在重子系统中实现了理论与实验的精准对接。

       5年坚守，团队甘坐“冷板凳”，跨领域协作攻坚，证实了理论预言的科学性与指导性，让人类在追寻“为何存在”的宇宙答案之路上迈出了坚实而关键的一步。正如于福升所说，“坐得住冷板凳，才能解决大问题。”