W玻色子质量实现最精确测量，或将“打破”标准模型？
澎湃新闻2022-04-16 10:41
近日，美国费米国家加速器实验室对撞机探测器(CDF)国际合作组的389位科学家共同完成了对W玻色子质量的最精确测量，测量结果比粒子物理标准模型的预期值偏高7个标准偏差，或指向新物理学领域。
图片来自《科学》(Science)前述研究成果发表在《科学》(Science)封面。如果这一结果得到最终确认，将预示着物理学的最基本理论之一“粒子物理标准模型”理论需要被修改或扩展。“粒子物理学研究的是我们的世界由哪些最基本的物质构成，并且如何构成的。”南京师范大学教授兼清华大学访问教授易凯向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道。
易凯现为CDF、CMS（欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的紧凑缪子螺线管实验）、日本Belle II国际合作组成员，也是清华-南师CMS组负责人，长期从事粒子物理、强子物理及寻找超出标准模型的物理现象等。
粒子物理标准模型，图片来自Quanta Magazine“这张‘圆盘’就是标准模型，上面每一个字母都表示一种粒子，并且这些粒子都是基本粒子，即内部没有结构、无法分割的粒子。”易凯表示“圆盘”最外圈上方为六种夸克，下方为六种轻子，轻子包括人们所熟知的电子、μ介子、τ介子和它们相对应的中微子。“夸克和轻子构成了我们的物质世界，例如，常见的质子和中子由两种不同类型的三个夸克构成。其中，中微子与其他物质之间的相互作用非常小，可以穿透物质。”中间一圈的四种基本粒子分别为光子、胶子、W玻色子、Z玻色子。“它们是传递相互作用的粒子。其中，光子是传递电磁相互作用的粒子，它是没有质量的。胶子负责传递强相互作用。而传递弱相互作用的粒子就是W玻色子和Z玻色子，这两种粒子是很重的。”易凯说道。
“圆盘最中心的是希格斯玻色子，也被称做“上帝粒子”，2012年在CMS和ATLAS（即欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的实验）两个实验中同时发现的。希格斯玻色子赋予了其他基本粒子的质量。而这些粒子之间是如何相互作用的，就解释了世界的构成，并形成了一个系统，这个系统就是‘标准模型’。”易凯表示W玻色子的质量可以从这一系统中推算出来。
多年来，科学家一直在通过各种方式检测标准模型是否正确，尝试找到新的突破。W玻色子的质量作为标准模型的一个重要参数，对其数值的精确测量一直是检验标准模型和探测超出标准模型的现象的重要手段之一。
由于W玻色子的衰变模式在实验上重建的困难，其测量精度（误差）一直在几十个MeV（兆电子伏特）量级，此前最佳的单个实验精度也在二十个MeV左右。这与W玻色子的“姐妹”粒子——Z玻色子的质量精度2MeV形成了极大的反差。实验粒子物理工作者为此进行了长时间的不懈努力。MeV是粒子物理上使用的一种质量单位，以质子为例，质子大约为938MeV。
但此前对W玻色子质量的多项测量基本都符合标准模型理论。“这有可能是因为之前的测量精度不够，这一次CDF合作组对W玻色子质量的测量精度很高，达到了0.01%。”易凯说道。
费米国家加速器实验室的对撞机探测器(CDF)，图片来自费米国家加速器实验室据了解，美国费米实验室的Tevatron曾为世界上最大的对撞机，在Tevatron里，质子和反质子被加速到它们的静止质量的1000倍，然后发生碰撞，从而大量产生W玻色子。CDF是Tevatron上的一个通用型粒子探测器，粒子物理实验学家们通过研究CDF探测到的W玻色子衰变产生的带电轻子和其他产物的信息来测量W玻色子的质量。CDF合作组经过十年的时间对收集的数据进行了非常细致的校准和分析，利用CDF二期运行期间收集的所有数据，对W玻色子的质量进行了目前世界上最为精确的测量，首次将误差（包括统计误差和系统误差）降低至个位数，即9MeV。在粒子物理标准模型中，预期的W玻色子质量应为80357+/-6MeV。而此次测量结果显示其质量测量值为80434+/-9MeV，超出了标准模型的预期值。
W玻色子质量的各实验测量与理论预测范围，图片来自Science论文前述研究实现了0.01%的检测精度，超越了此前所有单个实验的精度，也超越了此前所有实验结果的加权综合精度，对标准模型的检验达到了一个新的里程碑。在这一精度下，CDF合作组所测量的W玻色子质量比标准模型的计算值高了七个标准偏差（包括实验和理论误差），挑战目前的标准模型。这意味着在标准模型的预言是正确的情况下，CDF实验观测到这样的实验结果的可能性仅为大概10的负十二次方。“如果这一结果是正确的，就预示着我们的标准模型并不完美。”易凯解释道，“这存在两种可能，一种可能性是我们需要去修正标准模型中的计算，完善这一系统。另一种可能性是标准模型需要扩展，比如这个模型还有未被发现的基本粒子或者未被发现的基本作用力。而这些都指向新的物理现象。”
来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机ATLAS实验项目物理学家Guillaume Unal则表示“希望看到另一项独立的测量来证实CDF合作组的测量结果。”
对此，南京师范大学、清华大学、中科院高能物理研究所、北京大学联合发起并主办了4月14日的“W质量研讨会”。除CDF实验之外，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上的多个实验、美国费米实验室的D0实验都做过W玻色子的质量测量和其他性质研究。各实验的参会者共同探讨了W玻色子研究的现状和未来。
“W质量研讨会”线上线下参会者在清华物理系讲堂合影目前，ATLAS和LHCb（大型强子对撞机上底夸克探测器实验）的合作组成员已在改进对W玻色子质量的分析。欧洲核子研究中心的另一实验CMS也可以测量W粒子的质量大小。“CDF这项结果目前只是一个实验的结果，尚需别的实验验证。另外它与目前世界上第二精确的测量即ATLAS实验的测量结果也不一致。”易凯表示CMS合作组现在测量带电粒子都是全部使用硅探测器，分辨率会比CDF合作组当年的更好。
而谈及在CDF合作组的经历，易凯表示从探测器的建造、电子设备的调控到控制室数据的获取、校准、重建，以及进行物理分析得到最终结果，这一过程是漫长而艰辛的，需要合作组的协作。比如易凯就曾两次作为硅探测器值班专家获取数据，一次在2001年，历时三个多月，另一次在2009年到2010年，历时一年多。“CDF合作组最鼎盛时期有700多位成员，后来名单就固定在400位左右。”Tevatron在2011年停止运行之后，CDF合作组中Ashutosh Kotwal领导的小组对数据进行了更细致地校准和更深入地分析，并经过合作组内部严谨审核，耗时十多年最终将论文发表出来。
未来，更多国际合作组的测量将验证CDF合作组的结果，并将进一步检验目前的标准模型。
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