張 陽(yáng)，王 飛，蔡 勇，李志鑌

（鄭州大學(xué)物理學(xué)院 河南 鄭州 450001）

粒子物理是研究物質(zhì)最深層次結(jié)構(gòu)的前沿學(xué)科，擁有物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的高校通常會(huì)為本科生開(kāi)設(shè)多門(mén)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)拓展課程，包括“粒子物理導(dǎo)論”“粒子物理與核物理實(shí)驗(yàn)方法”“量子電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論”和“量子力學(xué)II”等，目的是讓本科生接觸和了解最前沿的科學(xué)動(dòng)態(tài)。因此，只有將最新的實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)展融入相關(guān)課程的教學(xué)中，才能夠培養(yǎng)物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的相關(guān)創(chuàng)新能力與科研能力。

近年來(lái)，作為粒子物理的重要分支，高能物理實(shí)驗(yàn)和理論蓬勃發(fā)展，不僅有粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型最后一塊拼圖——希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，還有與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言有顯著偏離的繆子反常磁矩和玻色子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)突破，引起了學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)，這些有可能徹底改變我們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)。關(guān)于這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的理論研究，既是當(dāng)前的科研熱點(diǎn)，也是粒子物理學(xué)科知識(shí)的最佳應(yīng)用場(chǎng)所。將這些進(jìn)展引入相關(guān)課程教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)粒子物理課程的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目的。

教育部每年舉辦的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃旨在強(qiáng)化大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)。然而，對(duì)于選擇高能物理專(zhuān)業(yè)題目的學(xué)生來(lái)講，需要花費(fèi)大量的時(shí)間學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，才能跟上當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，否則只能完成一些邊邊角角的題目，很難達(dá)到大創(chuàng)計(jì)劃的要求。同樣的問(wèn)題也出現(xiàn)在理論物理和粒子物理專(zhuān)業(yè)本科生畢業(yè)論文指導(dǎo)上，學(xué)生無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。如果能將高能物理前沿進(jìn)展融入課程當(dāng)中，學(xué)生在完成日常學(xué)習(xí)的同時(shí)，便邁過(guò)了科研活動(dòng)的門(mén)檻，也為以后進(jìn)一步深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)一些高校有諸多這方面的改革和創(chuàng)新。比如我校（鄭州大學(xué)）連續(xù)七年舉辦的賽學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)，挑選成績(jī)優(yōu)異、學(xué)有余力的低年級(jí)本科生提前參與到科研活動(dòng)中，其中就包括粒子物理研究。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)每年舉辦大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，并設(shè)立粒子物理實(shí)驗(yàn)組，招收全國(guó)各高校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)大二和大三優(yōu)秀學(xué)生，讓他們學(xué)習(xí)了解最先進(jìn)的粒子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，寒暑假到國(guó)科大進(jìn)行科研工作。南京師范大學(xué)今年舉辦的理論物理前沿講習(xí)班，招收高年級(jí)本科生，與研究生一起學(xué)習(xí)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型、新物理模型與有效理論等前沿知識(shí)。在本科生的日常教學(xué)過(guò)程中融入相關(guān)知識(shí)，有利于學(xué)生參加此類(lèi)學(xué)術(shù)活動(dòng)，在科研賽道搶占先機(jī)。同樣，國(guó)外高校的暑期學(xué)生項(xiàng)目，對(duì)于選擇高能物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，也是在原有課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)和理論最新進(jìn)展，將課本知識(shí)與前沿研究相結(jié)合。

1 在本科教學(xué)中融入高能物理前沿進(jìn)展的目的

將高能物理的前沿進(jìn)展及時(shí)地融入“粒子物理導(dǎo)論”“量子電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論”和“量子力學(xué)II”的日常教學(xué)當(dāng)中，可以提高學(xué)生參與高能物理科研工作的積極性和可行性。具體來(lái)講，可以實(shí)現(xiàn)以下目的：

提高物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生學(xué)習(xí)高能物理的興趣。本科階段高能物理相關(guān)課程，如“量子電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論”和“量子力學(xué)II”，充滿(mǎn)了晦澀難懂的數(shù)學(xué)公式，脫離日常生活，是學(xué)生選擇高能物理專(zhuān)業(yè)作為研究方向的攔路虎。通過(guò)將最新的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展引入課程教學(xué)體系，可以把抽象的理論與現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生知其然更知其所以然。將前沿的理論進(jìn)展引入課程教學(xué)，講解人們對(duì)微觀世界和浩瀚宇宙的最新認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步深入研究的好奇心。

解決本科生參與高能物理科研活動(dòng)的問(wèn)題。由于高能物理專(zhuān)業(yè)的科研活動(dòng)需要量子場(chǎng)論、規(guī)范場(chǎng)論、粒子物理、廣義相對(duì)論等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，本科生短時(shí)間內(nèi)無(wú)法利用課余時(shí)間掌握它們，因此在科研活動(dòng)中只能從事一些簡(jiǎn)單工作。如果學(xué)生有機(jī)會(huì)通過(guò)課堂掌握一些相關(guān)基本知識(shí)，邁過(guò)門(mén)檻，就可以完成一些具有創(chuàng)新性的工作。

提高高能物理專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)論文質(zhì)量。與上一問(wèn)題類(lèi)似，高能物理物理專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)生需要花費(fèi)很長(zhǎng)課外時(shí)間和導(dǎo)師通過(guò)一對(duì)一的方式學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，低效且不系統(tǒng)。如果可以在更早的階段系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，那么在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段就擁有更多的時(shí)間和精力深入研究，提高畢業(yè)論文質(zhì)量。

2 在本科教學(xué)中融入高能物理前沿進(jìn)展的內(nèi)容

實(shí)施該項(xiàng)教學(xué)改革的難點(diǎn)在于制定入選粒子物理相關(guān)課程的前沿?zé)狳c(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，包含但不限于：①作為實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，物理理論的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)突破。入選的前沿?zé)狳c(diǎn)需要有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量做基礎(chǔ)，被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可；②考慮到課時(shí)限制，入選內(nèi)容應(yīng)該與現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容有一定關(guān)聯(lián)，難度適中，能夠利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)知識(shí)理解；③與任課教師的科研方向契合，能夠銜接日常教學(xué)與科研活動(dòng)，方便學(xué)生提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和課題組。我們以“粒子物理導(dǎo)論”課程為例，列舉一些滿(mǎn)足上述條件的前沿進(jìn)展。

2.1 希格斯波色子

希格斯波色子，又被稱(chēng)為上帝粒子，是一種特殊的基本粒子。2012 年，它在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 上被發(fā)現(xiàn)，希格斯和恩格勒也因此榮獲2013 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。希格斯玻色子的最新進(jìn)展，直接與目前課程中的“電弱統(tǒng)一理論”章節(jié)相關(guān)，同時(shí)也可以用來(lái)理解共振態(tài)、粒子衰變等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。一些教材已經(jīng)包含了這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1，2]，使用的是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 第一階段的結(jié)果。目前最新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 第二階段的結(jié)果除了擁有更高的對(duì)撞能量和積分亮度，還觀測(cè)到了希格斯衰變到繆子對(duì)的信號(hào)[3]，證明了輕子部分的湯川秀樹(shù)耦合也與標(biāo)準(zhǔn)模型一致。這對(duì)于理解和接受布勞特-恩格勒-希格斯機(jī)制有很大幫助，值得加入教學(xué)任務(wù)中。

另外，我國(guó)正在計(jì)劃建造的希格斯工廠——環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)對(duì)希格斯屬性測(cè)量的精度可以達(dá)到世界頂尖水平[4]。這一內(nèi)容在教材中有所提及，但最近CEPC的設(shè)計(jì)亮度有所提升，如圖1 所示。是否建造該超級(jí)對(duì)撞機(jī)引發(fā)了楊振寧、丘成桐、王貽芳等大師級(jí)科學(xué)家的激烈討論，成了輿論熱點(diǎn)[5]。通過(guò)從嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的角度講解CEPC的原理、建造難度和物理意思，可以使學(xué)生客觀理性地看待這場(chǎng)論戰(zhàn)，一窺國(guó)內(nèi)粒子物理在國(guó)際上的地位，了解科學(xué)前沿的發(fā)展方向。

圖1 規(guī)劃中的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的碰撞能量和設(shè)計(jì)亮度，其中實(shí)線和虛線分別代表基礎(chǔ)方案和升級(jí)方案。

2.2 繆子反常磁矩

繆子反常磁矩是繆子的基本物理參數(shù)之一，它的精確測(cè)量和理論計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)模型的誕生奠定了基礎(chǔ)。2021 年4 月，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室公布了繆子g 2實(shí)驗(yàn)組對(duì)于繆子反常磁矩的首個(gè)測(cè)量結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值有顯著差異[6]。這為新物理的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，預(yù)示著世界上可能存在新的未知粒子或者作用力?！读Ｗ游锢韺W(xué)導(dǎo)論》中在“粒子的基本性質(zhì)”小節(jié)定義了磁矩，給出了常見(jiàn)費(fèi)米子的反常磁矩。電子反常磁矩和繆子反常磁矩理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)值能符合超過(guò)10 位有效數(shù)字的精度，是量子電動(dòng)力學(xué)最成功的結(jié)果之一。而這次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的繆子反常磁矩y 與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值的差異，吸引了全球粒子物理學(xué)家的關(guān)注，提出了大量模型和理論對(duì)其進(jìn)行解釋?zhuān)梢宰鳛椤皹?biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)充”章節(jié)的重要內(nèi)容來(lái)講述。

2.3 玻色子質(zhì)量

今年4 月，CDF 合作組利用CDF II 數(shù)據(jù)測(cè)量得到的玻色子質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值有7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的偏離，這一結(jié)果發(fā)表為《Science》封面文章[7]。這種差異同樣暗示著一種從未被發(fā)現(xiàn)的粒子的存在，可能徹底改變我們看待世界的方式。W玻色子是“弱相互作用”章節(jié)的知識(shí)要點(diǎn)，W玻色子的質(zhì)量是“布勞特—恩格勒—希格斯機(jī)制”章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)。從教學(xué)的角度，可以通過(guò)下列方式計(jì)算出W玻色子的質(zhì)量：規(guī)范對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺后，重新定義弱作用規(guī)范場(chǎng)和電磁場(chǎng)，獲得重質(zhì)量的W玻色子和Z玻色子，以及零質(zhì)量的光子A：

其中m代表質(zhì)量，g和g"分別是SU（2）L和U（1）Y相互作用的耦合常數(shù)，v代表希格斯場(chǎng)的電弱真空期望值。結(jié)合費(fèi)米常數(shù)GF和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)a的定義

將它們和Z玻色子質(zhì)量 作為輸入，可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)模型W玻色子的質(zhì)量 。同時(shí)講解由于衰變產(chǎn)物不同，Z玻色子質(zhì)量的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于W玻色子質(zhì)量，可以作為輸入量。最新發(fā)現(xiàn)的超出，應(yīng)當(dāng)加入“標(biāo)準(zhǔn)模型電弱參數(shù)的精確測(cè)量”章節(jié)的教學(xué)中，也可以作為“標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)充”章節(jié)的內(nèi)容來(lái)講述。

2.4 引力波

2016 年LIGO和Virgo團(tuán)隊(duì)首次測(cè)到的引力波事件[8]，驗(yàn)證了廣義相對(duì)論最后一個(gè)未被實(shí)驗(yàn)直接檢測(cè)的預(yù)言，為我們打開(kāi)了一個(gè)全新的視角觀察宇宙，摘得了2017 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來(lái)，規(guī)劃中的空間引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)也為尋找粒子物理新物理模型提供了新的途徑。教材[1]中的第12 章是“粒子物理和宇宙學(xué)”，非常適合加入有關(guān)引力波的內(nèi)容，包括：①引力波本身定義和引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的原理；②在“宇宙大爆炸模型的基本內(nèi)容”中加入原初引力波的介紹；③講解“宇宙中重子—反重子不對(duì)稱(chēng)”小節(jié)時(shí)，延伸出弱電重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制可以誘發(fā)隨機(jī)引力波信號(hào)。

3 總結(jié)

作為前沿學(xué)科，粒子物理課程的教學(xué)中需要及時(shí)納入學(xué)科的最新進(jìn)展，才能激發(fā)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生學(xué)習(xí)粒子物理的興趣，解決本科生參與粒子物理科研活動(dòng)的問(wèn)題，以及提升粒子物理專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文的質(zhì)量。實(shí)施該項(xiàng)教學(xué)改革的重點(diǎn)在于制定入選粒子物理相關(guān)課程的前沿?zé)狳c(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。我們以“粒子物理導(dǎo)論”課程為例，討論了如何將希格斯粒子的最新測(cè)量結(jié)果和未來(lái)希格斯工廠的建設(shè)、繆子反常磁矩和玻色子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)超出和引力波探測(cè)融入當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容與體系中。