借助超級計算機和機器學(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，即將獲得計算物理學(xué)學(xué)位，這時她聽說了粒子物理學(xué)的一項意外發(fā)現(xiàn)。該消息與物理學(xué)家當(dāng)時正在尋找的任何稀有奇異粒子無關(guān)。相反，這一啟示圍繞著平凡無處不在的質(zhì)子展開。

那一年，科學(xué)家們測量了質(zhì)子的半徑，發(fā)現(xiàn)該粒子比以前的實驗報告的要小得多。這種新的測量方法對物理學(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)了一個更基本的問題：關(guān)于這個看似簡單的粒子，我們還有什么不知道的？

“質(zhì)子和中子占宇宙中可見物質(zhì)的 99%，”她說。“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到，確實存在一些我們?nèi)匀粵]有答案的基本問題。”

質(zhì)子之謎是推動沙納漢追求理論粒子和核物理的動力之一。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，例如單個質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子，以及多個質(zhì)子之間的相互作用，這合并成我們在周圍看到的可見物質(zhì)。

追蹤這些基本聯(lián)系終將幫助物理學(xué)家認(rèn)識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——沒有解釋。

Shanahan 說：“我們正試圖了解如何將對我們基本理論的理解——這個美麗的基本粒子預(yù)測理論——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)度過的，在那里她獲得了進(jìn)入女子學(xué)校的獎學(xué)金。她很快就開始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和科學(xué)、學(xué)習(xí)新語言以及演奏各種樂器。

“當(dāng)時，我不認(rèn)為你會選擇我作為科學(xué)家而不是音樂家或語言學(xué)家，”她說。

高中畢業(yè)后，Shanahan 留在當(dāng)?shù)兀妥x于阿德萊德大學(xué)，在那里她學(xué)習(xí)拉丁語和古希臘語，并在周末參加翻唱樂隊的演出。她還攻讀了高性能計算物理學(xué)的學(xué)士學(xué)位，她選擇這個專業(yè)幾乎是為了個人挑戰(zhàn)。

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

有，在一次研究研討會上聽到質(zhì)子半徑之謎后，她對物理學(xué)的興趣開始具體化。她還發(fā)現(xiàn)自己喜歡研究，因為她接受了在她的本科生導(dǎo)師安東尼·托馬斯 (Anthony Thomas) 的實驗室擔(dān)任暑期助理的邀請，后者專攻核物理。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，即我們對質(zhì)子的了解幾乎沒有我想象的那么多，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。

直接跟蹤

在澳大利亞完成學(xué)業(yè)后，Shanahan 希望在國外邁出下一步。利用旅行獎學(xué)金的資金，她計劃了為期兩個月的歐洲和美國物理系和設(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)，因為沙納漢在每一站都被引入了新的想法和研究途徑。

“思維擴展真的很令人興奮，”她說。

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 年來到研究所，并在接下來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。

“通過實驗測量質(zhì)子膠子結(jié)構(gòu)的某些方面非常困難，”Shanahan 說。“我想看看我們能計算出什么，這在當(dāng)時是一件很新鮮的事情。”

在那之前，沙納漢認(rèn)為自己主要是一個“紙筆”理論家。但她想看看膠子的行為——稱為量子色動力學(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)值計算，她發(fā)現(xiàn)自己正在學(xué)習(xí)一套新的計算工具，并探索使用機器學(xué)習(xí)尋找膠子之間基本相互作用的方法——Shanahan 是個采用的新方法，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了秋季學(xué)期。該計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>

“這個項目真的給了我作為一名新教員的研究議程的啟動板，”她說。“這一切都始于那個安靜的時間，在那里我實際上可以一次思考幾個小時。這是非常寶貴的，它給了我發(fā)揮創(chuàng)造力的空間。”

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明什么我們了解早期宇宙的情況。

她還專注于暗物質(zhì)實驗中使用的原子核，并希望繪制出可以通過標(biāo)準(zhǔn)模型具體解釋的核相互作用空間。這個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方向發(fā)展，”她說。“我們正在使用我們可以使用的所有工具，從紙筆計算到在超級計算機上設(shè)計和運行新算法，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。”