文/万物科普馆
编辑/万物科普馆
物质是如何组成-粒子
粒子物理是现代物理学的一个前沿分支学科，研究基本粒子之间的相互作用和相互转化规律，它在最小限度上回答了物质是如何组成的问题。
粒子物理又称为高能物理，该名称来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缘故。
2013年，欧洲核子中心(CERN)宣布Higgs粒子发现，之后粒子物理发展到非常成熟的地步，其基本理论——标准模型几乎经受住了所有的实验检验。
粒子物理是国内外高等院校和科学研究院所中，粒子物理与原子核物理方向硕士研究生的专业基础课，课程涉及复杂的数学知识和纷繁的唯象，是本科生难以企及的。
正因如此，本科课程不涉及粒子物理的相关教学内容。但是，国内普遍高校的本科生在大三以后，就拥有电动力学、量子力学和狭义相对论的基础，为高年级本科生开设粒子物理课程是可行的。此外，在选择硕士研究生的研究方向时，相当一部分本科生并不清楚自己的兴趣或专长所在。
因此，在本科阶段开设粒子物理等现代物理学前沿课程，拓宽本科生的知识面，为研究生方向选择提供参考，是很有必要的。这里推荐三本适合本科生学习粒子物理的论著。
粒子物理发展史
19世纪末20世纪初，随着热力学与统计力学以及电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的巅峰。正当物理学家庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。
例如，电子、X射线和放射性现象的发现，以及经典物理学万里晴空中的两朵乌云。经典物理出现了危机，由此引起物理学的一场革命，现代物理学诞生。
20世纪是现代物理学飞速发展的世纪，这个世纪前30年是原子物理学的时代，30、40年代是核物理学大发展的时期，在这之后，粒子物理学蓬勃地发展起来。
粒子物理的发展史从某种程度上可以说是基本粒子的发现史，始于1897年汤姆逊发现电子，随后，光子、质子、中子、正电子、介子、超子等相继被发现。早期，人们从宇宙线实验中逐步发现相较轻的基本粒子。
Higgs
20世纪50年代后，人工加速器的出现使得更重的粒子，经过物理学家们的不懈探索和努力，对原子核内部的机构也有了更清晰的认识。默里·盖尔曼于1964年独立提出了夸克模型，认为介子和重子分别由三个基本夸克u,d,s中的两个和三个组成。
按照其电荷和奇异数的不同，将数目繁多的强子有序地排进几何图形里，因而被称为粒子物理的门捷列夫。2013年，随着标准模型预言的最后一个粒子——Higgs被宣布证实，粒子物理的所有基本粒子均在实验上被找到，如图1所示。
图1 标准模型中的基本粒子
三种基本相互作用
了解了粒子物理研究的所有基本粒子后，很自然的一个问题就是它们之间是如何相互作用，组成物质世界的。
粒子物理成功描述了除引力以外的其他三种相互作用，即强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，其中强相互作用和弱相互作用是短程力，而日常生活中常见到的电磁和引力相互作用则是长程力。
强相互作用的基本理论是量子色动力学(QCD)，描述夸克与胶子之间的相互作用，成功地回答了夸克是如何被束缚在强子内部的问题。
强相互作用有两个典型特征，一是渐进自由，二是夸克禁闭。夸克与胶子的作用强度可以用一个普适的耦合常数来描述，当夸克之间距离很小时(转移动量很大)，变得很小，夸克可近似看成自由粒子，该性质称为渐进自由；
当夸克之间距离比较大时，也变得很大，使得夸克被禁闭在强子内部，因此，没有自由的夸克和胶子。人们通过轻子-核子的深度非弹性散射实验间接证实了夸克及其颜色的存在。
经典电动力学可以很好地解释宏观电磁现象，而在高速微观范围内，则需要量子电动力学(QED)，即带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的，其相互作用的强度由量级为的耦合常数来描述。
从1930年代到1970年代，物理学家们经过规范对称群和规范玻色子的预言和寻找、规范对称性的破缺、有质量规范场的重整化、无质量戈德斯通玻色子的消除等历程，终于在约50年的时间完成了电弱相互作用的统一。
Higgs粒子的寻找
标准模型中Higgs粒子承担了赋予其他基本粒子以质量的重要使命，但因其质量是标准模型中的自由参数，Higgs粒子的发现也经历了相当漫长和艰辛的历程。
2012年7月以前，CERN的LEP和美国费米实验室的Tevatron均未能找到Higgs存在的证据，必须建造一座能量更高、亮度更高的粒子对撞机来保证高质量粒子产生的碰撞数据，倾欧洲之力建成的大型强子对撞机(LHC)便成了寻找Higgs粒子的希望所在。
在强子对撞机上，粒子碰撞生成Higgs粒子的概率非常小，并且Higgs粒子极不稳定，会在产生后的极短时间内衰变，无法直接探测到。
探测器只能记录衰变产物，重建衰变过程，但很多种过程都会出现与其类似的衰变特征，因此寻找Higgs粒子犹如大海捞针。
经过LHC上两个探测器组ATLAS和CMS反复的测量与探索，最终，于2013年3月，CERN发布新闻稿，宣布Higgs粒子的证实。
粒子物理实验手段
物理是一门以实验为基础的科学，粒子物理的主要试验手段是宇宙线，高能加速器和粒子探测器。研究物质结构的层次越深，需要的探针尺度就越细，由量子力学基础知识可知，粒子波长与动量满足德布罗意关系式：
因此，探针尺度越细，便要求粒子的能量越高。粒子物理研究的是最深层次的基本粒子，因此需要足够高的能量，这也回答了引言中为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问题。
随着对宇宙线粒子的认识越来越多，人们逐渐意识到宇宙线粒子束流强度很低，而且不稳定，到达地球大气层被散射后，能量损失很大，高能粒子加速器应运而生。
高能加速器具有能量高，亮度高，可控制所需要粒子的束流强度等优点，但受加速技术和经费的限制，目前所能达到的最高能量是前文所提到的LHC，位于瑞士法国交界，周长约27公里，耗资几十亿美元，是全球占地面积最大的粒子加速器，示意图如图2所示。
图2 大型强子对撞机(LHC)设施示意图
LHC采取质子-质子对撞，束流能量达到了7TeV 7TeV，其有4套探测装置：ATLAS,CMS、ALICE以及LHCb，前三个以研究强子为主，最后一个以B介子物理实验为主。
LHC的主要物理目标有两个：(i)寻找标准模型中的Higgs粒子；(ii) 寻找新物理理论预言的新粒子。Higgs粒子的发现，使得提出Higgs机制的Higgs和Englert获得了2013年诺贝尔物理学奖。
另外，日本的SUPERKEKB采取正负电子对撞，是目前世界上亮度最高的加速器，本底干净，数据量丰富，与LHC形成良好的互补。目前的高能物理实验尚未发现新物理存在的证据，探索新物理之路仍在继续。
融入方法的研究
本科前两年的课程都属于经典物理学的范畴，粒子物理的融入旨在拓宽学生的知识面，激发学生学习物理学前沿的兴趣和动力，因此应尽量避开纷繁的数学知识。
任课教师可先介绍现代物理学的诞生背景以及粒子物理在现代物理学中占据的地位，让学生对整个物理学的脉络及其当下所学内容在物理学中的位置有全局性的认识。
首先，在粒子物理的发展史方面，涌现大批的诺贝尔物理学奖获得者，每一个基本粒子的发现都经历了无数前人的探索和尝试，最终成功于一位集大成者。
这期间的人文故事均可作为课堂讲授的资源，让学生在轻松愉悦的体验中接收简单而巧妙的物理知识，并且以榜样的力量激励学生继续向前探索。
此外，很多物理实验的过程亦可作为演示的资料，例如密立根油滴实验等，让学生真切地体验真理发现的过程，促使学生培养求真务实、理论与实践并行的科学态度。
其次，三种基本相互作用方面，可用大量的图片展示三种相互作用的区别，尤其是学生比较陌生的强相互作用和弱相互作用。任课教师可找到学生的认知起点，承接其认知水平，授以其未知而愿意求知的内容。
夸克的概念对于本科生来讲并不陌生，但之后，夸克是如何组成强子的?尤其是夸克禁闭在强子内部，如何证明夸克及其颜色确实存在?
此外，弱相互作用的直观证据是什么?经课堂实践发现，这些都是可以调动学生求知欲的知识点，任课教师可以就这些问题，准备充分的实验材料以及数据、图表等信息，最大限度地满足学生对未知内容的好奇心。
然后，关于Higgs粒子的寻找方面，Higgs粒子以其在标准模型中的重要地位和难以寻找的困难程度，被物理学界及媒体广泛关注，更以上帝粒子著称于世。
单是上帝粒子这一名称的来由，便可成为学生关注的焦点，任课教师可以此为切入点，将Higgs粒子赋予其他基本粒子以质量的Higgs机制及其产生和衰变机制导致的探测困难一一传输给学生。这样，以科普故事为载体，轻松完成前沿知识的教授。
最后，高能物理实验方面，任课教师可以播放粒子加速、碰撞、收集、记录等过程的视频资料，直观地展示高能物理过程的精密之处，辅以必要的理论讲解，充分解释实验原理和实验目的，激发学生对高能物理实验和理论方向的热爱，促使学生为高能物理事业的向前发展做出自己的贡献。
研究意义
本文粒子物理融入本科课堂的研究可以为国内高校本科生培养方案的制定与修改提供一个参考；亦可为粒子物理方向教师在从事《物理学前沿选讲》本科教学时，提供一个可行的参考。
从学生的角度讲，本研究内容可以为本科生拓宽知识面，激发学习和探索前沿科学的兴趣，为硕士阶段研究方向提供一个可能的选项。此外，也能让学生在切实的学习过程中培养起严谨务实的科学精神，为今后研究生阶段的科研之旅打下坚实的思想基础。