將高能物理前沿進(jìn)展融入本科教學(xué)的創(chuàng)新探索

張 陽，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)專業(yè)的高校通常會為本科生開設(shè)多門相關(guān)的專業(yè)拓展課程，包括“粒子物理導(dǎo)論”“粒子物理與核物理實驗方法”“量子電動力學(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)動態(tài)。因此，只有將最新的實驗和理論進(jìn)展融入相關(guān)課程的教學(xué)中，才能夠培養(yǎng)物理類專業(yè)學(xué)生的相關(guān)創(chuàng)新能力與科研能力。

近年來，作為粒子物理的重要分支，高能物理實驗和理論蓬勃發(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)量的實驗突破，引起了學(xué)術(shù)界的轟動，這些有可能徹底改變我們對微觀世界的認(rèn)識。關(guān)于這些實驗進(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)科知識的最佳應(yīng)用場所。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)的動力，增強(qiáng)學(xué)生對粒子物理課程的認(rèn)知，實現(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，對于選擇高能物理專業(yè)題目的學(xué)生來講，需要花費(fèi)大量的時間學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，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)計劃的要求。同樣的問題也出現(xiàn)在理論物理和粒子物理專業(yè)本科生畢業(yè)論文指導(dǎo)上，學(xué)生無法在短時間內(nèi)掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識。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，便邁過了科研活動的門檻，也為以后進(jìn)一步深造打下了堅實的基礎(chǔ)。

國內(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，挑選成績優(yōu)異、學(xué)有余力的低年級本科生提前參與到科研活動中，其中就包括粒子物理研究。中國科學(xué)院大學(xué)每年舉辦大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動，并設(shè)立粒子物理實驗組，招收全國各高校物理學(xué)專業(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)的粒子物理實驗技術(shù)，寒暑假到國科大進(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。在本科生的日常教學(xué)過程中融入相關(guān)知識，有利于學(xué)生參加此類學(xué)術(shù)活動，在科研賽道搶占先機(jī)。同樣，國外高校的暑期學(xué)生項目，對于選擇高能物理專業(yè)的學(xué)生，也是在原有課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)實驗和理論最新進(jìn)展，將課本知識與前沿研究相結(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)展及時地融入“粒子物理導(dǎo)論”“量子電動力學(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。具體來講，可以實現(xiàn)以下目的：

提高物理學(xué)專業(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“量子電動力學(xué)導(dǎo)論”和“量子力學(xué)II”，充滿了晦澀難懂的數(shù)學(xué)公式，脫離日常生活，是學(xué)生選擇高能物理專業(yè)作為研究方向的攔路虎。通過將最新的實驗進(jìn)展引入課程教學(xué)體系，可以把抽象的理論與現(xiàn)實的實驗聯(lián)系起來，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)，講解人們對微觀世界和浩瀚宇宙的最新認(rèn)識，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的問題。由于高能物理專業(yè)的科研活動需要量子場論、規(guī)范場論、粒子物理、廣義相對論等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，本科生短時間內(nèi)無法利用課余時間掌握它們，因此在科研活動中只能從事一些簡單工作。如果學(xué)生有機(jī)會通過課堂掌握一些相關(guān)基本知識，邁過門檻，就可以完成一些具有創(chuàng)新性的工作。

提高高能物理專業(yè)本科畢業(yè)論文質(zhì)量。與上一問題類似，高能物理物理專業(yè)本科畢業(yè)生需要花費(fèi)很長課外時間和導(dǎo)師通過一對一的方式學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，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，那么在畢業(yè)設(shè)計階段就擁有更多的時間和精力深入研究，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

實施該項教學(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作為實驗性學(xué)科，物理理論的發(fā)展離不開實驗突破。入選的前沿?zé)狳c(diǎn)需要有堅實的實驗測量做基礎(chǔ)，被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可；②考慮到課時限制，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，方便學(xué)生提前進(jìn)入實驗室和課題組。我們以“粒子物理導(dǎo)論”課程為例，列舉一些滿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。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)，同時也可以用來理解共振態(tài)、粒子衰變等相關(guān)知識點(diǎn)。一些教材已經(jīng)包含了這一實驗發(fā)現(xiàn)[1，2]，使用的是大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC 第一階段的結(jié)果。目前最新的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC 第二階段的結(jié)果除了擁有更高的對撞能量和積分亮度，還觀測到了希格斯衰變到繆子對的信號[3]，證明了輕子部分的湯川秀樹耦合也與標(biāo)準(zhǔn)模型一致。這對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，我國正在計劃建造的希格斯工廠——環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)對希格斯屬性測量的精度可以達(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)計亮度有所提升，如圖1 所示。是否建造該超級對撞機(jī)引發(fā)了楊振寧、丘成桐、王貽芳等大師級科學(xué)家的激烈討論，成了輿論熱點(diǎn)[5]。通過從嚴(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論戰(zhàn)，一窺國內(nèi)粒子物理在國際上的地位，了解科學(xué)前沿的發(fā)展方向。

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

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，它的精確測量和理論計算為標(biāo)準(zhǔn)模型的誕生奠定了基礎(chǔ)。2021 年4 月，美國費(fèi)米國家加速器實驗室公布了繆子g 2實驗組對于繆子反常磁矩的首個測量結(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算和實驗值能符合超過10 位有效數(shù)字的精度，是量子電動力學(xué)最成功的結(jié)果之一。而這次實驗發(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其進(jìn)行解釋，可以作為“標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)充”章節(jié)的重要內(nèi)容來講述。

2.3 玻色子質(zhì)量

今年4 月，CDF 合作組利用CDF II 數(shù)據(jù)測量得到的玻色子質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值有7 個標(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)的知識點(diǎn)。從教學(xué)的角度，可以通過下列方式計算出W玻色子的質(zhì)量：規(guī)范對稱性自發(fā)破缺后，重新定義弱作用規(guī)范場和電磁場，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，可以計算出標(biāo)準(zhǔn)模型W玻色子的質(zhì)量 。同時講解由于衰變產(chǎn)物不同，Z玻色子質(zhì)量的測量精度遠(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)容來講述。

2.4 引力波

2016 年LIGO和Virgo團(tuán)隊首次測到的引力波事件[8]，驗證了廣義相對論最后一個未被實驗直接檢測的預(yù)言，為我們打開了一個全新的視角觀察宇宙，摘得了2017 年諾貝爾物理學(xué)獎。近年來，規(guī)劃中的空間引力波探測實驗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實驗的原理；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—反重子不對稱”小節(jié)時，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。

3 總結(jié)

作為前沿學(xué)科，粒子物理課程的教學(xué)中需要及時納入學(xué)科的最新進(jìn)展，才能激發(fā)物理學(xué)專業(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的問題，以及提升粒子物理專業(yè)畢業(yè)論文的質(zhì)量。實施該項教學(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量結(jié)果和未來希格斯工廠的建設(shè)、繆子反常磁矩和玻色子質(zhì)量的實驗超出和引力波探測融入當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容與體系中。