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編者按：物質的基本構成是什么？這是2022年中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）領雁金獎獲得者呂曉睿在不斷探尋的問題。十年求學，歸國后扎根教學十五年，他在國科大校園里培養一批又一批物理學子。二十五載光陰，成就了這樣一位青年物理學家，而他也見證了我國粒子物理科學事業的向前發展。
2008年，剛在日本取得博士學位的呂曉睿回國，碰巧遇到前一年留美歸來的鄭陽恒教授在中國科學院研究生院（國科大前身）組建一個新的粒子物理實驗課題組。
組建新課題組，風險與機遇并存，綜合考慮后呂曉睿決定加入當時鄭陽恒教授的團隊，這便是現在的國科大粒子物理實驗團隊。
如今，呂曉睿已成為國科大物理科學學院教授、至今最年輕的北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組聯合發言人，以及一位從不拖延學生消息的“秒回導師”。
時隔多年，談起當時的決定，呂曉睿更是感慨：“來到國科大，‘入股不虧’。”
呂曉睿
01 從助教做起，追求啟發式教學
剛回國，呂曉睿便積極關注教學，他很快發現當時研究生院開設的實驗課內容和最新的研究進展之間存在一定程度的脫節。而且他自己在讀研學習過程中使用的一些重要工具和方法，在現有的研究生課程中都沒有體現。
想起自己曾經的自學經歷，呂曉睿萌生了“要開設和實際科研更接軌的實驗課程”的想法。“很感謝當時鄭陽恒教授的鼓勵，也很感謝學院開放、開明的態度。”最終，呂曉睿獨立開設了兩門新課：《物理研究中的計算機方法》和《實驗模擬與數據分析工具》。他把實際做粒子物理實驗方向研究的最先進方法放在課堂上跟學生們講，然后安排上機、練習和作業，方便學生們更好開展后續的科研工作。
2014年國科大開始本科招生后，呂曉睿將更多心力投入本科生教育。雖然已經有了近5年給研究生上課的經驗，但呂曉睿對于本科生的教學還有些“吃不準”。于是他主動向物理科學學院的其他老師自薦，做了4年助教。他給鄭陽恒教授的《原子物理學》、林曉教授的《熱學》等課程都做過助教。
在呂曉睿看來，在答疑、批改作業等常規工作以外，助教也可以成為一個更主動的角色。不僅課后常常和學生交流，呂曉睿在習題課上也別出心裁。以講清楚主講老師布置的習題為前提，呂曉睿會梳理每個章節概要，給學生提供一個清晰的知識框架。在習題課的末尾，呂曉睿會和學生們交流這門課實際的科學進展，并引入當前的科學問題。
呂曉睿在講課
“在和學生交流的時候，我希望不僅只是去提供一些做題思路，而是讓這門課對學生有啟發。不光對他自己專業學科的學習有啟發，而且能夠對他建立科學思維、優化認識世界、理解世界的方法有些幫助。”在呂曉睿看來，比起辦公室和家兩點一線的、只追求發文章的科研生活，把他了解到的一些新東西直接分享給這些年輕的學生更有樂趣和意義。
經過4年的沉淀和準備，2018年呂曉睿開始主講本科生的《原子物理學》課程。但許多選修這門課程的同學在期中考試的時候都會經歷一次“大跌眼鏡”。
“他們以為記住公式就行了，但是我考試時關注的其實是：這些公式怎么演化來的？物理圖像是什么？”呂曉睿因此會降低期中考試占比，給同學們一個適應期。時間久了，同學們就知道在呂曉睿老師的課上：他們不需要死記硬背公式和常數，阿伏伽德羅常數和盧瑟福公式在考試時都會整齊地出現在試卷首頁；雖然常常有隨課堂測驗，但只是為了考察課堂效果，不扣分；最重要的是，他們可以像聽故事一樣，學習物理學的演變和發展。
“我們想讓學生們不僅是在學物理，更多的是在經歷物理。我們希望培養一些未來的科技領軍人才。”呂曉睿說道。
帶著這樣的期望和努力，呂曉睿所在的國科大原子物理教學團隊獲得2019年“北京高校優秀本科育人團隊”，而他主講的本科課程《原子物理學》也獲評2020年度校級優秀課程和院級優秀課程。他本人也獲教育部公布的2021年度“基礎學科拔尖學生培養計劃2.0”優秀教師獎。
呂曉睿（右二）在組會中與本科生交流
02 與學生交流，要教書更要育人
為了與全國更多的青年學子交流，從2016年開始，呂曉睿連續組織了7屆面向全國物理學專業大學生的科創計劃暑期培訓及科研實踐活動。暑期培訓一般為期兩周，在第一周，國科大粒子物理實驗團隊的老師們會對學員進行集中培訓，第二周則是學員分組跟隨不同老師進行實踐。“我對呂老師的初印象就是他非常負責任，第二周小組實踐的時候，他基本上每天都到場查看大家的狀態。”大二時參加過暑期培訓的蘭州大學本科生王子一，現在成為呂曉睿的博士生。
許多學生參加了培訓之后對粒子物理實驗產生了興趣，國科大粒子物理實驗團隊也在不斷壯大。2008年呂曉睿剛加入團隊時，全組就只有他和鄭陽恒兩位老師，1位秘書和5位鄭陽恒教授的研究生。“那現在人就多了，我們組有6位老師，整個組共有50人左右。”談起這十幾年不斷壯大的研究團隊，呂曉睿充滿了自豪和喜悅。
呂曉睿在指導學生
除了專業教學上與學生交流，呂曉睿已連續3個學期參加國科大的“玉泉書院”項目。國科大物理科學學院的學生在“學業導師”之外，還會有一個“書院導師”。“書院”小組由五、六名大一大二的低年級學生、一名高年級本科生和一位老師組成，旨在通過每周一次的朋輩討論活動對低年級學生給予幫助。
呂曉睿有時會先和同學們一起吃個午飯，然后找個教室聊一聊。“我在大一該做些什么？”“如何找到自己的未來方向？”“為什么云是白色的？”“月亮是什么顏色的？”這些都是呂曉睿會和學生們討論的問題。他不僅會關心每個人的學業和生活情況，也會和大家一起討論一些天馬行空的問題。回憶起每周和年輕人的討論，呂曉睿充滿了激情：“我喜歡這個項目，因為可以幫助一些感到迷茫的學生。”或許看到那些學生，呂曉睿有片刻想起了燕園里曾經青澀的自己。
2000年的北京大學校園里，就讀物理學專業的大三學生呂曉睿也正在抉擇自己的未來道路。他在許多方向都做過了解和嘗試：和凝聚態、光學等方向的老師交流，也輔修了經濟學課程。迷茫中的他遇到了當時剛來任教的馬伯強教授。正是在馬伯強教授的鼓勵和啟發下，呂曉睿選擇了在粒子物理方向進行研究。也許正是因為曾經迷茫過，所以呂曉睿更能體會學生們的心情；也因曾經被幫助過，所以他選擇接力傳遞那一份溫暖，為更多的學生提供支持。
03 科教相輔，與學生共同成長
原子內部存在電子和原子核，原子核由質子和中子構成，質子內部又包含夸克和膠子。對于物理學家們來說，這些發現都是歷史上一個個激動人心的瞬間。他們忍不住追問：在原子內部，是否還包含有更小的粒子？不同粒子之間存在怎樣的關系？粒子的運動又有什么規律？在無盡的時空長河里，無數的物理學家投身到了對這些問題的探索中，這其中也包括呂曉睿。
2008年回國，呂曉睿就立刻參加了基于第二代北京正負電子對撞機進行實驗研究的北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組。微觀粒子對于物理學家而言就像是不透明的小球，想要知道一個小球內部的組成結構，最簡單直接的方法就是用錘子將球砸開。在我國首個大科學裝置北京正負電子對撞機中，粒子們被加速后發生對撞。而安裝在對撞點處的“眼睛”——北京譜儀則記錄著對撞產生的各種信息。最終，正是通過對這些觀測數據進行分析，科學家們得以探索原子內部的奧秘。
呂曉睿在調試實驗設備
對于粒子物理實驗領域而言，最大的科研壓力來源于“競爭”——除了我國，美國、瑞士、日本等國家也有自己的對撞機。雖然我國擁有迄今為止國際上粲能區亮度最高的對撞機，但是它曾經也被美國康奈爾大學的正負電子對撞機“挑戰”過。老一輩科學家們通過改造升級，奮力守住了北京正負電子對撞機在粲物理研究領域的國際領先地位，而呂曉睿這一代青年科學家們更是在比拼誰能最先發現新粒子、更精確地測量粒子的性質和結構。
“一些新的熱點方向大家都會去研究，這個時候就需要我們質量更高、更有效率地率先做出結果。”分波分析方法是粒子物理實驗物理分析的重要方法，用于從多個維度分析粒子多個衰變末態中各種可能的中間物理過程的貢獻。
這項繁雜的工作不僅需要分析上千、上萬GB大小的實驗數據，而且需要進一步利用計算機程序同時約束確定幾十、上百個自由參數的值。整個分析過程相當耗時。
為了能夠高效可靠地進行分析，呂曉睿與團隊里的鄭陽恒教授、錢文斌副教授共同帶領兩名國科大的本科生開發了分波分析基礎軟件工具TF-PWA。過去如果要做分波分析，需要寫上百、上千行的代碼，還很容易出錯；但現在使用者只需要簡單配置幾個文件，就可以利用TF-PWA進行分析。而且TF-PWA結合GPU加速計算、矢量計算和自動微分等先進技術，分析效率相較于傳統CPU并行計算可提升至少上百倍。這一創新軟件也得到國際上諸多粒子物理研究團隊的廣泛認可。
除了高效的分析工具，在呂曉睿看來，團隊協作也是克服科研難關的重要支撐。在2020年新冠肺炎疫情期間值班人員緊張的情況下，呂曉睿帶領團隊在北京譜儀Ⅲ實驗上堅持輪值運行儀器，對實驗數據進行分析。“當時我們整個團隊成員都按照自己的分工團結在這項任務上。
遇到難題，老師會與學生們共同學習、尋找解決辦法。碰到團隊內部實在難以理解的科學問題，呂曉睿也會組織團隊成員與更多業內專家討論、請教。這樣的團隊協作不僅讓工作更高效、更可靠，更重要的是“在共同探索的過程中，老師們也在向學生們傳授著解決問題的思路和方法，傳遞著科研激情”。
最終，呂曉睿所在團隊利用這批實驗數據在國際上率先發現了首個含奇異夸克的隱粲四夸克態Zcs（3985），獲得國際同行高度關注。TF-PWA在該實驗分析中也發揮了重要作用。呂曉睿的博士生王子一也作為其中主要的物理分析參與者，代表團隊獲得了2022年中國物理學會高能物理分會“晨光杯”青年優秀論文一等獎（第一名）。
呂曉睿在北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組年會上作總結報告
伴隨著科研成果的積累，呂曉睿在BESⅢ國際合作組里承擔的工作也越發關鍵。從一開始的合作組會議報告遴選委員會秘書，再到主席、物理協調人等職務，2018年，38歲的呂曉睿又擔任了合作組的聯合發言人。按照國際慣例，發言人是高能物理實驗國際合作組的最高級職位，負責全面領導實驗合作組的各方面事務。這是整個合作組對這位10年間不斷給實驗注入創新活力的年輕人的信任和肯定。