將高能物理前沿進展融入本科教學的創新探索

張 陽，王 飛，蔡 勇，李志鑌

（鄭州大學物理學院 河南 鄭州 450001）

粒子物理是研究物質最深層次結構的前沿學科，擁有物理學專業的高校通常會為本科生開設多門相關的專業拓展課程，包括“粒子物理導論”“粒子物理與核物理實驗方法”“量子電動力學導論”和“量子力學II”等，目的是讓本科生接觸和了解最前沿的科學動態。因此，只有將最新的實驗和理論進展融入相關課程的教學中，才能夠培養物理類專業學生的相關創新能力與科研能力。

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展，不僅有粒子物理標準模型最后一塊拼圖——希格斯玻色子的發現，還有與標準模型預言有顯著偏離的繆子反常磁矩和玻色子質量的實驗突破，引起了學術界的轟動，這些有可能徹底改變我們對微觀世界的認識。關于這些實驗進展的理論研究，既是當前的科研熱點，也是粒子物理學科知識的最佳應用場所。將這些進展引入相關課程教學中，可以激發學生學習的動力，增強學生對粒子物理課程的認知，實現學以致用的目的。

教育部每年舉辦的大學生創新創業訓練計劃旨在強化大學生的創新創業能力，提升大學生的綜合素質。然而，對于選擇高能物理專業題目的學生來講，需要花費大量的時間學習基礎知識，才能跟上當前的研究熱點，否則只能完成一些邊邊角角的題目，很難達到大創計劃的要求。同樣的問題也出現在理論物理和粒子物理專業本科生畢業論文指導上，學生無法在短時間內掌握相關基礎知識。如果能將高能物理前沿進展融入課程當中，學生在完成日常學習的同時，便邁過了科研活動的門檻，也為以后進一步深造打下了堅實的基礎。

國內一些高校有諸多這方面的改革和創新。比如我校（鄭州大學）連續七年舉辦的賽學創新活動，挑選成績優異、學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。中國科學院大學每年舉辦大學生創新實踐活動，并設立粒子物理實驗組，招收全國各高校物理學專業大二和大三優秀學生，讓他們學習了解最先進的粒子物理實驗技術，寒暑假到國科大進行科研工作。南京師范大學今年舉辦的理論物理前沿講習班，招收高年級本科生，與研究生一起學習粒子物理標準模型、新物理模型與有效理論等前沿知識。在本科生的日常教學過程中融入相關知識，有利于學生參加此類學術活動，在科研賽道搶占先機。同樣，國外高校的暑期學生項目，對于選擇高能物理專業的學生，也是在原有課程的基礎上，學習實驗和理論最新進展，將課本知識與前沿研究相結合。

1 在本科教學中融入高能物理前沿進展的目的

將高能物理的前沿進展及時地融入“粒子物理導論”“量子電動力學導論”和“量子力學II”的日常教學當中，可以提高學生參與高能物理科研工作的積極性和可行性。具體來講，可以實現以下目的：

提高物理學專業本科生學習高能物理的興趣。本科階段高能物理相關課程，如“量子電動力學導論”和“量子力學II”，充滿了晦澀難懂的數學公式，脫離日常生活，是學生選擇高能物理專業作為研究方向的攔路虎。通過將最新的實驗進展引入課程教學體系，可以把抽象的理論與現實的實驗聯系起來，讓學生知其然更知其所以然。將前沿的理論進展引入課程教學，講解人們對微觀世界和浩瀚宇宙的最新認識，激發學生進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。由于高能物理專業的科研活動需要量子場論、規范場論、粒子物理、廣義相對論等學科的基礎知識，本科生短時間內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。如果學生有機會通過課堂掌握一些相關基本知識，邁過門檻，就可以完成一些具有創新性的工作。

提高高能物理專業本科畢業論文質量。與上一問題類似，高能物理物理專業本科畢業生需要花費很長課外時間和導師通過一對一的方式學習基礎知識，低效且不系統。如果可以在更早的階段系統地學習相關知識，那么在畢業設計階段就擁有更多的時間和精力深入研究，提高畢業論文質量。

2 在本科教學中融入高能物理前沿進展的內容

實施該項教學改革的難點在于制定入選粒子物理相關課程的前沿熱點的標準，包含但不限于：①作為實驗性學科，物理理論的發展離不開實驗突破。入選的前沿熱點需要有堅實的實驗測量做基礎，被學術界廣泛認可；②考慮到課時限制，入選內容應該與現有的教學內容有一定關聯，難度適中，能夠利用現有的基礎知識理解；③與任課教師的科研方向契合，能夠銜接日常教學與科研活動，方便學生提前進入實驗室和課題組。我們以“粒子物理導論”課程為例，列舉一些滿足上述條件的前沿進展。

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子對撞機LHC 上被發現，希格斯和恩格勒也因此榮獲2013 年諾貝爾物理學獎。希格斯玻色子的最新進展，直接與目前課程中的“電弱統一理論”章節相關，同時也可以用來理解共振態、粒子衰變等相關知識點。一些教材已經包含了這一實驗發現[1，2]，使用的是大型強子對撞機LHC 第一階段的結果。目前最新的大型強子對撞機LHC 第二階段的結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準模型一致。這對于理解和接受布勞特-恩格勒-希格斯機制有很大幫助，值得加入教學任務中。

另外，我國正在計劃建造的希格斯工廠——環形正負電子對撞機(CEPC)對希格斯屬性測量的精度可以達到世界頂尖水平[4]。這一內容在教材中有所提及，但最近CEPC的設計亮度有所提升，如圖1 所示。是否建造該超級對撞機引發了楊振寧、丘成桐、王貽芳等大師級科學家的激烈討論，成了輿論熱點[5]。通過從嚴謹科學的角度講解CEPC的原理、建造難度和物理意思，可以使學生客觀理性地看待這場論戰，一窺國內粒子物理在國際上的地位，了解科學前沿的發展方向。

圖1 規劃中的正負電子對撞機的碰撞能量和設計亮度，其中實線和虛線分別代表基礎方案和升級方案。

2.2 繆子反常磁矩

繆子反常磁矩是繆子的基本物理參數之一，它的精確測量和理論計算為標準模型的誕生奠定了基礎。2021 年4 月，美國費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果，與標準模型的預言值有顯著差異[6]。這為新物理的存在提供了強有力的證據，預示著世界上可能存在新的未知粒子或者作用力。《粒子物理學導論》中在“粒子的基本性質”小節定義了磁矩，給出了常見費米子的反常磁矩。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 位有效數字的精度，是量子電動力學最成功的結果之一。而這次實驗發現的繆子反常磁矩y 與標準模型預言值的差異，吸引了全球粒子物理學家的關注，提出了大量模型和理論對其進行解釋，可以作為“標準模型的擴充”章節的重要內容來講述。

2.3 玻色子質量

今年4 月，CDF 合作組利用CDF II 數據測量得到的玻色子質量與標準模型預言值有7 個標準偏差的偏離，這一結果發表為《Science》封面文章[7]。這種差異同樣暗示著一種從未被發現的粒子的存在，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”章節的知識要點，W玻色子的質量是“布勞特—恩格勒—希格斯機制”章節的知識點。從教學的角度，可以通過下列方式計算出W玻色子的質量：規范對稱性自發破缺后，重新定義弱作用規范場和電磁場，獲得重質量的W玻色子和Z玻色子，以及零質量的光子A：

其中m代表質量，g和g"分別是SU（2）L和U（1）Y相互作用的耦合常數，v代表希格斯場的電弱真空期望值。結合費米常數GF和精細結構常數a的定義

將它們和Z玻色子質量 作為輸入，可以計算出標準模型W玻色子的質量 。同時講解由于衰變產物不同，Z玻色子質量的測量精度遠高于W玻色子質量，可以作為輸入量。最新發現的超出，應當加入“標準模型電弱參數的精確測量”章節的教學中，也可以作為“標準模型的擴充”章節的內容來講述。

2.4 引力波

2016 年LIGO和Virgo團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 年諾貝爾物理學獎。近年來，規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”，非常適合加入有關引力波的內容，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”小節時，延伸出弱電重子數產生機制可以誘發隨機引力波信號。

3 總結

作為前沿學科，粒子物理課程的教學中需要及時納入學科的最新進展，才能激發物理學專業本科生學習粒子物理的興趣，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畢業論文的質量。實施該項教學改革的重點在于制定入選粒子物理相關課程的前沿熱點的標準。我們以“粒子物理導論”課程為例，討論了如何將希格斯粒子的最新測量結果和未來希格斯工廠的建設、繆子反常磁矩和玻色子質量的實驗超出和引力波探測融入當前的教學內容與體系中。