将高能物理前沿进展融入本科教学的创新探索

张 阳，王 飞，蔡 勇，李志镔

（郑州大学物理学院 河南 郑州 450001）

粒子物理是研究物质最深层次结构的前沿学科，拥有物理学专业的高校通常会为本科生开设多门相关的专业拓展课程，包括“粒子物理导论”“粒子物理与核物理实验方法”“量子电动力学导论”和“量子力学II”等，目的是让本科生接触和了解最前沿的科学动态。因此，只有将最新的实验和理论进展融入相关课程的教学中，才能够培养物理类专业学生的相关创新能力与科研能力。

近年来，作为粒子物理的重要分支，高能物理实验和理论蓬勃发展，不仅有粒子物理标准模型最后一块拼图——希格斯玻色子的发现，还有与标准模型预言有显著偏离的缪子反常磁矩和玻色子质量的实验突破，引起了学术界的轰动，这些有可能彻底改变我们对微观世界的认识。关于这些实验进展的理论研究，既是当前的科研热点，也是粒子物理学科知识的最佳应用场所。将这些进展引入相关课程教学中，可以激发学生学习的动力，增强学生对粒子物理课程的认知，实现学以致用的目的。

教育部每年举办的大学生创新创业训练计划旨在强化大学生的创新创业能力，提升大学生的综合素质。然而，对于选择高能物理专业题目的学生来讲，需要花费大量的时间学习基础知识，才能跟上当前的研究热点，否则只能完成一些边边角角的题目，很难达到大创计划的要求。同样的问题也出现在理论物理和粒子物理专业本科生毕业论文指导上，学生无法在短时间内掌握相关基础知识。如果能将高能物理前沿进展融入课程当中，学生在完成日常学习的同时，便迈过了科研活动的门槛，也为以后进一步深造打下了坚实的基础。

国内一些高校有诸多这方面的改革和创新。比如我校（郑州大学）连续七年举办的赛学创新活动，挑选成绩优异、学有余力的低年级本科生提前参与到科研活动中，其中就包括粒子物理研究。中国科学院大学每年举办大学生创新实践活动，并设立粒子物理实验组，招收全国各高校物理学专业大二和大三优秀学生，让他们学习了解最先进的粒子物理实验技术，寒暑假到国科大进行科研工作。南京师范大学今年举办的理论物理前沿讲习班，招收高年级本科生，与研究生一起学习粒子物理标准模型、新物理模型与有效理论等前沿知识。在本科生的日常教学过程中融入相关知识，有利于学生参加此类学术活动，在科研赛道抢占先机。同样，国外高校的暑期学生项目，对于选择高能物理专业的学生，也是在原有课程的基础上，学习实验和理论最新进展，将课本知识与前沿研究相结合。

1 在本科教学中融入高能物理前沿进展的目的

将高能物理的前沿进展及时地融入“粒子物理导论”“量子电动力学导论”和“量子力学II”的日常教学当中，可以提高学生参与高能物理科研工作的积极性和可行性。具体来讲，可以实现以下目的：

提高物理学专业本科生学习高能物理的兴趣。本科阶段高能物理相关课程，如“量子电动力学导论”和“量子力学II”，充满了晦涩难懂的数学公式，脱离日常生活，是学生选择高能物理专业作为研究方向的拦路虎。通过将最新的实验进展引入课程教学体系，可以把抽象的理论与现实的实验联系起来，让学生知其然更知其所以然。将前沿的理论进展引入课程教学，讲解人们对微观世界和浩瀚宇宙的最新认识，激发学生进一步深入研究的好奇心。

解决本科生参与高能物理科研活动的问题。由于高能物理专业的科研活动需要量子场论、规范场论、粒子物理、广义相对论等学科的基础知识，本科生短时间内无法利用课余时间掌握它们，因此在科研活动中只能从事一些简单工作。如果学生有机会通过课堂掌握一些相关基本知识，迈过门槛，就可以完成一些具有创新性的工作。

提高高能物理专业本科毕业论文质量。与上一问题类似，高能物理物理专业本科毕业生需要花费很长课外时间和导师通过一对一的方式学习基础知识，低效且不系统。如果可以在更早的阶段系统地学习相关知识，那么在毕业设计阶段就拥有更多的时间和精力深入研究，提高毕业论文质量。

2 在本科教学中融入高能物理前沿进展的内容

实施该项教学改革的难点在于制定入选粒子物理相关课程的前沿热点的标准，包含但不限于：①作为实验性学科，物理理论的发展离不开实验突破。入选的前沿热点需要有坚实的实验测量做基础，被学术界广泛认可；②考虑到课时限制，入选内容应该与现有的教学内容有一定关联，难度适中，能够利用现有的基础知识理解；③与任课教师的科研方向契合，能够衔接日常教学与科研活动，方便学生提前进入实验室和课题组。我们以“粒子物理导论”课程为例，列举一些满足上述条件的前沿进展。

2.1 希格斯波色子

希格斯波色子，又被称为上帝粒子，是一种特殊的基本粒子。2012 年，它在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC 上被发现，希格斯和恩格勒也因此荣获2013 年诺贝尔物理学奖。希格斯玻色子的最新进展，直接与目前课程中的“电弱统一理论”章节相关，同时也可以用来理解共振态、粒子衰变等相关知识点。一些教材已经包含了这一实验发现[1，2]，使用的是大型强子对撞机LHC 第一阶段的结果。目前最新的大型强子对撞机LHC 第二阶段的结果除了拥有更高的对撞能量和积分亮度，还观测到了希格斯衰变到缪子对的信号[3]，证明了轻子部分的汤川秀树耦合也与标准模型一致。这对于理解和接受布劳特-恩格勒-希格斯机制有很大帮助，值得加入教学任务中。

另外，我国正在计划建造的希格斯工厂——环形正负电子对撞机(CEPC)对希格斯属性测量的精度可以达到世界顶尖水平[4]。这一内容在教材中有所提及，但最近CEPC的设计亮度有所提升，如图1 所示。是否建造该超级对撞机引发了杨振宁、丘成桐、王贻芳等大师级科学家的激烈讨论，成了舆论热点[5]。通过从严谨科学的角度讲解CEPC的原理、建造难度和物理意思，可以使学生客观理性地看待这场论战，一窥国内粒子物理在国际上的地位，了解科学前沿的发展方向。

图1 规划中的正负电子对撞机的碰撞能量和设计亮度，其中实线和虚线分别代表基础方案和升级方案。

2.2 缪子反常磁矩

缪子反常磁矩是缪子的基本物理参数之一，它的精确测量和理论计算为标准模型的诞生奠定了基础。2021 年4 月，美国费米国家加速器实验室公布了缪子g 2实验组对于缪子反常磁矩的首个测量结果，与标准模型的预言值有显著差异[6]。这为新物理的存在提供了强有力的证据，预示着世界上可能存在新的未知粒子或者作用力。《粒子物理学导论》中在“粒子的基本性质”小节定义了磁矩，给出了常见费米子的反常磁矩。电子反常磁矩和缪子反常磁矩理论计算和实验值能符合超过10 位有效数字的精度，是量子电动力学最成功的结果之一。而这次实验发现的缪子反常磁矩y 与标准模型预言值的差异，吸引了全球粒子物理学家的关注，提出了大量模型和理论对其进行解释，可以作为“标准模型的扩充”章节的重要内容来讲述。

2.3 玻色子质量

今年4 月，CDF 合作组利用CDF II 数据测量得到的玻色子质量与标准模型预言值有7 个标准偏差的偏离，这一结果发表为《Science》封面文章[7]。这种差异同样暗示着一种从未被发现的粒子的存在，可能彻底改变我们看待世界的方式。W玻色子是“弱相互作用”章节的知识要点，W玻色子的质量是“布劳特—恩格勒—希格斯机制”章节的知识点。从教学的角度，可以通过下列方式计算出W玻色子的质量：规范对称性自发破缺后，重新定义弱作用规范场和电磁场，获得重质量的W玻色子和Z玻色子，以及零质量的光子A：

其中m代表质量，g和g"分别是SU（2）L和U（1）Y相互作用的耦合常数，v代表希格斯场的电弱真空期望值。结合费米常数GF和精细结构常数a的定义

将它们和Z玻色子质量 作为输入，可以计算出标准模型W玻色子的质量 。同时讲解由于衰变产物不同，Z玻色子质量的测量精度远高于W玻色子质量，可以作为输入量。最新发现的超出，应当加入“标准模型电弱参数的精确测量”章节的教学中，也可以作为“标准模型的扩充”章节的内容来讲述。

2.4 引力波

2016 年LIGO和Virgo团队首次测到的引力波事件[8]，验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言，为我们打开了一个全新的视角观察宇宙，摘得了2017 年诺贝尔物理学奖。近年来，规划中的空间引力波探测实验也为寻找粒子物理新物理模型提供了新的途径。教材[1]中的第12 章是“粒子物理和宇宙学”，非常适合加入有关引力波的内容，包括：①引力波本身定义和引力波探测实验的原理；②在“宇宙大爆炸模型的基本内容”中加入原初引力波的介绍；③讲解“宇宙中重子—反重子不对称”小节时，延伸出弱电重子数产生机制可以诱发随机引力波信号。

3 总结

作为前沿学科，粒子物理课程的教学中需要及时纳入学科的最新进展，才能激发物理学专业本科生学习粒子物理的兴趣，解决本科生参与粒子物理科研活动的问题，以及提升粒子物理专业毕业论文的质量。实施该项教学改革的重点在于制定入选粒子物理相关课程的前沿热点的标准。我们以“粒子物理导论”课程为例，讨论了如何将希格斯粒子的最新测量结果和未来希格斯工厂的建设、缪子反常磁矩和玻色子质量的实验超出和引力波探测融入当前的教学内容与体系中。