借助超級(jí)計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)，這位物理學(xué)家的目標(biāo)是闡明日常粒子的結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的跡象。

2010 年，Phiala Shanahan 正在阿德萊德大學(xué)讀本科，即將獲得計(jì)算物理學(xué)學(xué)位，這時(shí)她聽(tīng)說(shuō)了粒子物理學(xué)的一項(xiàng)意外發(fā)現(xiàn)。該消息與物理學(xué)家當(dāng)時(shí)正在尋找的任何稀有奇異粒子無(wú)關(guān)。相反，這一啟示圍繞著平凡無(wú)處不在的質(zhì)子展開(kāi)。

那一年，科學(xué)家們測(cè)量了質(zhì)子的半徑，發(fā)現(xiàn)該粒子比以前的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要小得多。這種新的測(cè)量方法對(duì)物理學(xué)家們認(rèn)為已經(jīng)很好理解的事情提出了質(zhì)疑：質(zhì)子的大小到底是多少？

什么被創(chuàng)造為“質(zhì)子半徑之謎”立即引起了沙納漢的興趣，并引發(fā)了一個(gè)更基本的問(wèn)題：關(guān)于這個(gè)看似簡(jiǎn)單的粒子，我們還有什么不知道的？

“質(zhì)子和中子占宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的 99%，”她說(shuō)。“我假設(shè)，就像質(zhì)子的質(zhì)量非常一樣，大小也是如此。那一刻我很早就意識(shí)到，確實(shí)存在一些我們?nèi)匀粵](méi)有答案的基本問(wèn)題?！?/span>

質(zhì)子之謎是推動(dòng)沙納漢追求理論粒子和核物理的動(dòng)力之一。今天，她是麻省理工學(xué)院 1957 年職業(yè)發(fā)展副教授，近在該研究所獲得終身教職。

在她的研究中，她尋求對(duì)我們物理世界的基本理解。她以物理標(biāo)準(zhǔn)模型方程為指導(dǎo)，尋找基本的橋梁——基本粒子行為之間的具體數(shù)學(xué)聯(lián)系，例如單個(gè)質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子，以及多個(gè)質(zhì)子之間的相互作用，這合并成我們?cè)谥車(chē)吹降目梢?jiàn)物質(zhì)。

追蹤這些基本聯(lián)系終將幫助物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到我們理解上的突破，例如質(zhì)子與暗物質(zhì)相互作用的實(shí)例，暗物質(zhì)被認(rèn)為占宇宙總質(zhì)量的 85%，而標(biāo)準(zhǔn)模型——我們的代表我們的物理理解——沒(méi)有解釋。

Shanahan 說(shuō)：“我們正試圖了解如何將對(duì)我們基本理論的理解——這個(gè)美麗的基本粒子預(yù)測(cè)理論——一直延伸到核物理學(xué)。”

迎接挑戰(zhàn)

Shanahan 出生于澳大利亞悉尼，她的大部分童年和早期教育都是在阿德萊德郊區(qū)度過(guò)的，在那里她獲得了進(jìn)入女子學(xué)校的獎(jiǎng)學(xué)金。她很快就開(kāi)始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和科學(xué)、學(xué)習(xí)新語(yǔ)言以及演奏各種樂(lè)器。

“當(dāng)時(shí)，我不認(rèn)為你會(huì)選擇我作為科學(xué)家而不是音樂(lè)家或語(yǔ)言學(xué)家，”她說(shuō)。

高中畢業(yè)后，Shanahan 留在當(dāng)?shù)?，就讀于阿德萊德大學(xué)，在那里她學(xué)習(xí)拉丁語(yǔ)和古希臘語(yǔ)，并在周末參加翻唱樂(lè)隊(duì)的演出。她還攻讀了高性能計(jì)算物理學(xué)的學(xué)士學(xué)位，她選擇這個(gè)專(zhuān)業(yè)幾乎是為了個(gè)人挑戰(zhàn)。

“這是當(dāng)時(shí)難攻讀的學(xué)位，我想，'我想要一些具有挑戰(zhàn)性的東西，'”她回憶道。

有，在一次研究研討會(huì)上聽(tīng)到質(zhì)子半徑之謎后，她對(duì)物理學(xué)的興趣開(kāi)始具體化。她還發(fā)現(xiàn)自己喜歡研究，因?yàn)樗邮芰嗽谒谋究粕鷮?dǎo)師安東尼·托馬斯 (Anthony Thomas) 的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任暑期助理的邀請(qǐng)，后者專(zhuān)攻核物理。她在阿德萊德大學(xué)的研究生院繼續(xù)與托馬斯一起工作，并在那里獲得了理論核物理學(xué)博士學(xué)位。

“我已經(jīng)被這樣的想法所吸引，即我們對(duì)質(zhì)子的了解幾乎沒(méi)有我想象的那么多，所以我的博士學(xué)位是關(guān)于非常詳細(xì)地了解質(zhì)子的結(jié)構(gòu)以及我們可以為這種理解添加什么，”沙納漢說(shuō)。

直接跟蹤

在澳大利亞完成學(xué)業(yè)后，Shanahan 希望在國(guó)外邁出下一步。利用旅行獎(jiǎng)學(xué)金的資金，她計(jì)劃了為期兩個(gè)月的歐洲和美國(guó)物理系和設(shè)施之旅，包括麻省理工學(xué)院。這段經(jīng)歷就像一陣旋風(fēng)，因?yàn)樯臣{漢在每一站都被引入了新的想法和研究途徑。

“思維擴(kuò)展真的很令人興奮，”她說(shuō)。

回到澳大利亞后，她發(fā)現(xiàn)自己熱衷于繼續(xù)研究并在國(guó)外生活。很快，她收拾行裝前往麻省理工學(xué)院物理系攻讀博士后職位。她于 2015 年來(lái)到研究所，并在接下來(lái)的兩年里研究了膠子的相互作用，膠子是與夸克結(jié)合形成質(zhì)子的基本載力粒子。

“通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量質(zhì)子膠子結(jié)構(gòu)的某些方面非常困難，”Shanahan 說(shuō)。“我想看看我們能計(jì)算出什么，這在當(dāng)時(shí)是一件很新鮮的事情?！?/span>

在那之前，沙納漢認(rèn)為自己主要是一個(gè)“紙筆”理論家。但她想看看膠子的行為——稱為量子色動(dòng)力學(xué)的相互作用——可以用標(biāo)準(zhǔn)模型的方程式直接追蹤到什么程度。這樣做需要大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算，她發(fā)現(xiàn)自己正在學(xué)習(xí)一套新的計(jì)算工具，并探索使用機(jī)器學(xué)習(xí)尋找膠子之間基本相互作用的方法——Shanahan 是個(gè)采用的新方法，并且她今天繼續(xù)追求。

創(chuàng)意空間

完成博士后后，她在威廉瑪麗學(xué)院任教一年，并在托馬斯杰斐遜加速器設(shè)施擔(dān)任科學(xué)家，然后于 2018 年返回麻省理工學(xué)院，擔(dān)任理論物理中心的助理教授。在扎根校園之前，沙納漢 (Shanahan) 作為支持女性物理學(xué)家的獎(jiǎng)學(xué)金的一部分，在加拿大安大略省的周界理論物理研究所度過(guò)了秋季學(xué)期。該計(jì)劃為研究員提供食物和膳食，還為他們的辦公室送餐——所有這些都是為了讓物理學(xué)家能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊墓ぷ鳌?/span>

“這個(gè)項(xiàng)目真的給了我作為一名新教員的研究議程的啟動(dòng)板，”她說(shuō)。“這一切都始于那個(gè)安靜的時(shí)間，在那里我實(shí)際上可以一次思考幾個(gè)小時(shí)。這是非常寶貴的，它給了我發(fā)揮創(chuàng)造力的空間?！?/span>

在麻省理工學(xué)院，她繼續(xù)研究標(biāo)準(zhǔn)模型方程，以了解膠子和夸克的量子動(dòng)力學(xué)、質(zhì)子的結(jié)構(gòu)，以及支撐核物理的相互作用，以及某些原子核的基本行為可以說(shuō)明什么我們了解早期宇宙的情況。

她還專(zhuān)注于暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中使用的原子核，并希望繪制出可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型具體解釋的核相互作用空間。這個(gè)基本派生空間之外的任何相互作用都可能是暗物質(zhì)或標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋的其他現(xiàn)象的標(biāo)志。

“現(xiàn)在我的研究小組正朝著各個(gè)方向發(fā)展，”她說(shuō)。“我們正在使用我們可以使用的所有工具，從紙筆計(jì)算到在超級(jí)計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)和運(yùn)行新算法，以真正了解構(gòu)成我們宇宙的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和相互作用的新方面?！?/span>