文/萬(wàn)物科普館
編輯/萬(wàn)物科普館
物質(zhì)是如何組成-粒子
粒子物理是現代物理學(xué)的一個(gè)前沿分支學(xué)科，研究基本粒子之間的相互作用和相互轉化規律，它在最小限度上回答了物質(zhì)是如何組成的問(wèn)題。
粒子物理又稱(chēng)為高能物理，該名稱(chēng)來(lái)源于研究基本粒子所需能量比研究原子物理和原子核物理都要高的緣故。
2013年，歐洲核子中心(CERN)宣布Higgs粒子發(fā)現，之后粒子物理發(fā)展到非常成熟的地步，其基本理論——標準模型幾乎經(jīng)受住了所有的實(shí)驗檢驗。
粒子物理是國內外高等院校和科學(xué)研究院所中，粒子物理與原子核物理方向碩士研究生的專(zhuān)業(yè)基礎課，課程涉及復雜的數學(xué)知識和紛繁的唯象，是本科生難以企及的。
正因如此，本科課程不涉及粒子物理的相關(guān)教學(xué)內容。但是，國內普遍高校的本科生在大三以后，就擁有電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)和狹義相對論的基礎，為高年級本科生開(kāi)設粒子物理課程是可行的。此外，在選擇碩士研究生的研究方向時(shí)，相當一部分本科生并不清楚自己的興趣或專(zhuān)長(cháng)所在。
因此，在本科階段開(kāi)設粒子物理等現代物理學(xué)前沿課程，拓寬本科生的知識面，為研究生方向選擇提供參考，是很有必要的。這里推薦三本適合本科生學(xué)習粒子物理的論著(zhù)。
粒子物理發(fā)展史
19世紀末20世紀初，隨著(zhù)熱力學(xué)與統計力學(xué)以及電磁場(chǎng)理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達到了它的巔峰。正當物理學(xué)家慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實(shí)驗卻發(fā)現了許多經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的事實(shí)。
例如，電子、X射線(xiàn)和放射性現象的發(fā)現，以及經(jīng)典物理學(xué)萬(wàn)里晴空中的兩朵烏云。經(jīng)典物理出現了危機，由此引起物理學(xué)的一場(chǎng)革命，現代物理學(xué)誕生。
20世紀是現代物理學(xué)飛速發(fā)展的世紀，這個(gè)世紀前30年是原子物理學(xué)的時(shí)代，30、40年代是核物理學(xué)大發(fā)展的時(shí)期，在這之后，粒子物理學(xué)蓬勃地發(fā)展起來(lái)。
粒子物理的發(fā)展史從某種程度上可以說(shuō)是基本粒子的發(fā)現史，始于1897年湯姆遜發(fā)現電子，隨后，光子、質(zhì)子、中子、正電子、介子、超子等相繼被發(fā)現。早期，人們從宇宙線(xiàn)實(shí)驗中逐步發(fā)現相較輕的基本粒子。
Higgs
20世紀50年代后，人工加速器的出現使得更重的粒子，經(jīng)過(guò)物理學(xué)家們的不懈探索和努力，對原子核內部的機構也有了更清晰的認識。默里·蓋爾曼于1964年獨立提出了夸克模型，認為介子和重子分別由三個(gè)基本夸克u,d,s中的兩個(gè)和三個(gè)組成。
按照其電荷和奇異數的不同，將數目繁多的強子有序地排進(jìn)幾何圖形里，因而被稱(chēng)為粒子物理的門(mén)捷列夫。2013年，隨著(zhù)標準模型預言的最后一個(gè)粒子——Higgs被宣布證實(shí)，粒子物理的所有基本粒子均在實(shí)驗上被找到，如圖1所示。
圖1 標準模型中的基本粒子
三種基本相互作用
了解了粒子物理研究的所有基本粒子后，很自然的一個(gè)問(wèn)題就是它們之間是如何相互作用，組成物質(zhì)世界的。
粒子物理成功描述了除引力以外的其他三種相互作用，即強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用，其中強相互作用和弱相互作用是短程力，而日常生活中常見(jiàn)到的電磁和引力相互作用則是長(cháng)程力。
強相互作用的基本理論是量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)，描述夸克與膠子之間的相互作用，成功地回答了夸克是如何被束縛在強子內部的問(wèn)題。
強相互作用有兩個(gè)典型特征，一是漸進(jìn)自由，二是夸克禁閉?？淇伺c膠子的作用強度可以用一個(gè)普適的耦合常數來(lái)描述，當夸克之間距離很小時(shí)(轉移動(dòng)量很大)，變得很小，夸克可近似看成自由粒子，該性質(zhì)稱(chēng)為漸進(jìn)自由；
當夸克之間距離比較大時(shí)，也變得很大，使得夸克被禁閉在強子內部，因此，沒(méi)有自由的夸克和膠子。人們通過(guò)輕子-核子的深度非彈性散射實(shí)驗間接證實(shí)了夸克及其顏色的存在。
經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)可以很好地解釋宏觀(guān)電磁現象，而在高速微觀(guān)范圍內，則需要量子電動(dòng)力學(xué)(QED)，即帶電粒子之間的電磁相互作用是通過(guò)交換光子而實(shí)現的，其相互作用的強度由量級為的耦合常數來(lái)描述。
從1930年代到1970年代，物理學(xué)家們經(jīng)過(guò)規范對稱(chēng)群和規范玻色子的預言和尋找、規范對稱(chēng)性的破缺、有質(zhì)量規范場(chǎng)的重整化、無(wú)質(zhì)量戈德斯通玻色子的消除等歷程，終于在約50年的時(shí)間完成了電弱相互作用的統一。
Higgs粒子的尋找
標準模型中Higgs粒子承擔了賦予其他基本粒子以質(zhì)量的重要使命，但因其質(zhì)量是標準模型中的自由參數，Higgs粒子的發(fā)現也經(jīng)歷了相當漫長(cháng)和艱辛的歷程。
2012年7月以前，CERN的LEP和美國費米實(shí)驗室的Tevatron均未能找到Higgs存在的證據，必須建造一座能量更高、亮度更高的粒子對撞機來(lái)保證高質(zhì)量粒子產(chǎn)生的碰撞數據，傾歐洲之力建成的大型強子對撞機(LHC)便成了尋找Higgs粒子的希望所在。
在強子對撞機上，粒子碰撞生成Higgs粒子的概率非常小，并且Higgs粒子極不穩定，會(huì )在產(chǎn)生后的極短時(shí)間內衰變，無(wú)法直接探測到。
探測器只能記錄衰變產(chǎn)物，重建衰變過(guò)程，但很多種過(guò)程都會(huì )出現與其類(lèi)似的衰變特征，因此尋找Higgs粒子猶如大海撈針。
經(jīng)過(guò)LHC上兩個(gè)探測器組ATLAS和CMS反復的測量與探索，最終，于2013年3月，CERN發(fā)布新聞稿，宣布Higgs粒子的證實(shí)。
粒子物理實(shí)驗手段
物理是一門(mén)以實(shí)驗為基礎的科學(xué)，粒子物理的主要試驗手段是宇宙線(xiàn)，高能加速器和粒子探測器。研究物質(zhì)結構的層次越深，需要的探針尺度就越細，由量子力學(xué)基礎知識可知，粒子波長(cháng)與動(dòng)量滿(mǎn)足德布羅意關(guān)系式：
因此，探針尺度越細，便要求粒子的能量越高。粒子物理研究的是最深層次的基本粒子，因此需要足夠高的能量，這也回答了引言中為何研究粒子物理需要的能量比研究原子物理和原子核物理都要高的問(wèn)題。
隨著(zhù)對宇宙線(xiàn)粒子的認識越來(lái)越多，人們逐漸意識到宇宙線(xiàn)粒子束流強度很低，而且不穩定，到達地球大氣層被散射后，能量損失很大，高能粒子加速器應運而生。
高能加速器具有能量高，亮度高，可控制所需要粒子的束流強度等優(yōu)點(diǎn)，但受加速技術(shù)和經(jīng)費的限制，目前所能達到的最高能量是前文所提到的LHC，位于瑞士法國交界，周長(cháng)約27公里，耗資幾十億美元，是全球占地面積最大的粒子加速器，示意圖如圖2所示。
圖2 大型強子對撞機(LHC)設施示意圖
LHC采取質(zhì)子-質(zhì)子對撞，束流能量達到了7TeV 7TeV，其有4套探測裝置：ATLAS,CMS、ALICE以及LHCb，前三個(gè)以研究強子為主，最后一個(gè)以B介子物理實(shí)驗為主。
LHC的主要物理目標有兩個(gè)：(i)尋找標準模型中的Higgs粒子；(ii) 尋找新物理理論預言的新粒子。Higgs粒子的發(fā)現，使得提出Higgs機制的Higgs和Englert獲得了2013年諾貝爾物理學(xué)獎。
另外，日本的SUPERKEKB采取正負電子對撞，是目前世界上亮度最高的加速器，本底干凈，數據量豐富，與LHC形成良好的互補。目前的高能物理實(shí)驗尚未發(fā)現新物理存在的證據，探索新物理之路仍在繼續。
融入方法的研究
本科前兩年的課程都屬于經(jīng)典物理學(xué)的范疇，粒子物理的融入旨在拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習物理學(xué)前沿的興趣和動(dòng)力，因此應盡量避開(kāi)紛繁的數學(xué)知識。
任課教師可先介紹現代物理學(xué)的誕生背景以及粒子物理在現代物理學(xué)中占據的地位，讓學(xué)生對整個(gè)物理學(xué)的脈絡(luò )及其當下所學(xué)內容在物理學(xué)中的位置有全局性的認識。
首先，在粒子物理的發(fā)展史方面，涌現大批的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，每一個(gè)基本粒子的發(fā)現都經(jīng)歷了無(wú)數前人的探索和嘗試，最終成功于一位集大成者。
這期間的人文故事均可作為課堂講授的資源，讓學(xué)生在輕松愉悅的體驗中接收簡(jiǎn)單而巧妙的物理知識，并且以榜樣的力量激勵學(xué)生繼續向前探索。
此外，很多物理實(shí)驗的過(guò)程亦可作為演示的資料，例如密立根油滴實(shí)驗等，讓學(xué)生真切地體驗真理發(fā)現的過(guò)程，促使學(xué)生培養求真務(wù)實(shí)、理論與實(shí)踐并行的科學(xué)態(tài)度。
其次，三種基本相互作用方面，可用大量的圖片展示三種相互作用的區別，尤其是學(xué)生比較陌生的強相互作用和弱相互作用。任課教師可找到學(xué)生的認知起點(diǎn)，承接其認知水平，授以其未知而愿意求知的內容。
夸克的概念對于本科生來(lái)講并不陌生，但之后，夸克是如何組成強子的?尤其是夸克禁閉在強子內部，如何證明夸克及其顏色確實(shí)存在?
此外，弱相互作用的直觀(guān)證據是什么?經(jīng)課堂實(shí)踐發(fā)現，這些都是可以調動(dòng)學(xué)生求知欲的知識點(diǎn)，任課教師可以就這些問(wèn)題，準備充分的實(shí)驗材料以及數據、圖表等信息，最大限度地滿(mǎn)足學(xué)生對未知內容的好奇心。
然后，關(guān)于Higgs粒子的尋找方面，Higgs粒子以其在標準模型中的重要地位和難以尋找的困難程度，被物理學(xué)界及媒體廣泛關(guān)注，更以上帝粒子著(zhù)稱(chēng)于世。
單是上帝粒子這一名稱(chēng)的來(lái)由，便可成為學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn)，任課教師可以此為切入點(diǎn)，將Higgs粒子賦予其他基本粒子以質(zhì)量的Higgs機制及其產(chǎn)生和衰變機制導致的探測困難一一傳輸給學(xué)生。這樣，以科普故事為載體，輕松完成前沿知識的教授。
最后，高能物理實(shí)驗方面，任課教師可以播放粒子加速、碰撞、收集、記錄等過(guò)程的視頻資料，直觀(guān)地展示高能物理過(guò)程的精密之處，輔以必要的理論講解，充分解釋實(shí)驗原理和實(shí)驗目的，激發(fā)學(xué)生對高能物理實(shí)驗和理論方向的熱愛(ài)，促使學(xué)生為高能物理事業(yè)的向前發(fā)展做出自己的貢獻。
研究意義
本文粒子物理融入本科課堂的研究可以為國內高校本科生培養方案的制定與修改提供一個(gè)參考；亦可為粒子物理方向教師在從事《物理學(xué)前沿選講》本科教學(xué)時(shí)，提供一個(gè)可行的參考。
從學(xué)生的角度講，本研究?jì)热菘梢詾楸究粕貙捴R面，激發(fā)學(xué)習和探索前沿科學(xué)的興趣，為碩士階段研究方向提供一個(gè)可能的選項。此外，也能讓學(xué)生在切實(shí)的學(xué)習過(guò)程中培養起嚴謹務(wù)實(shí)的科學(xué)精神，為今后研究生階段的科研之旅打下堅實(shí)的思想基礎。