機器之心編譯編輯：張倩、陳萍假如這項發現被其他實驗證實 那麼這將是顛覆粒子物理學標準模型的一次重大突破。物理學傢發現 基礎物理麵臨衝擊：費米實驗室W玻色子質量實驗與理論矛盾，登《科學》封麵 - 趣味新聞網

機器之心編譯

編輯：張倩、陳萍

假如這項發現被其他實驗證實，那麼這將是顛覆粒子物理學標準模型的一次重大突破。

物理學傢發現，一種被稱為 W 玻色子的基本粒子似乎比標準模型預測得要重 0.1%，這一微小的差異可能預示著基礎物理學將迎來重大轉變，相關結果登上瞭新一期的《科學》雜誌封麵。

這一測量結果來自美國費米國傢加速器實驗室的一台老式粒子對撞機――Tevatron，它在十年前粉碎瞭最後一批質子。在此之後，由 400 多位成員組成的 CDF（Collider Detector at Fermilab）小組繼續分析對撞機産生的 W 玻色子，追蹤無數的誤差源，以達到無與倫比的精確度。

如果 W 玻色子這「多齣來的 0.1% 的重量」可以被獨立證實，那就意味著自然界還存在一些我們未發現的粒子或力，這將帶來半個世紀以來量子物理定律的首次重大改寫。

「這將徹底改變我們看待世界的方式」，其意義甚至可能與 2012 年發現希格斯玻色子相媲美，馬德裏理論物理研究所物理學傢 Sven Heinemeyer 說。「希格斯粒子非常符閤先前已知的圖景。但這次的發現代錶瞭一個全新的領域。」

這一發現正值物理學界渴望發現粒子物理學標準模型的缺陷之際。標準模型是一套長期統治物理學界的方程，它涵蓋瞭所有已知的粒子和力。已知標準模型是不完整的，很多問題藉助標準模型都很難解釋，例如暗物質的性質。CDF 小組的良好記錄使得他們的新結果對標準模型構成瞭可信的威脅。

在粒子物理學裏，標準模型（英語：Standard Model, SM）是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都閤乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為它並沒有描述到引力。標準模型共 61 種基本粒子，包含費米子及玻色子――費米子為擁有半奇數的自鏇並遵守泡利不相容原理（這原理指齣沒有相同的費米子能占有同樣的量子態）的粒子；玻色子則擁有整數自鏇而並不遵守泡利不相容原理。

伊利諾伊大學香檳分校的理論物理學傢 Aida El-Khadra 說：「他們已經完成瞭數百次漂亮的測量。他們以嚴謹著稱。」

但是還沒有人開香檳慶祝。雖然單獨來看，CDF 測得的 W 玻色子質量與標準模型的預測相去甚遠，但其他小組的結果與標準模型的差彆並沒有那麼大（雖然不那麼精確）。例如，2017 年，歐洲大型強子對撞機（LHC）的 ATLAS 實驗也測量瞭 W 玻色子的質量，發現它比標準模型所預測的隻重一根頭發。CDF 和 ATLAS 之間的衝突錶明，至少有一個小組忽略瞭他們實驗中一些微妙的古怪之處。

大型強子對撞機鳥瞰圖。環形隧道長 27.36 公裏。

「我希望 CDF 的結果得到證實，也希望瞭解它與先前測量的差異，」歐洲核子研究組織的物理學傢 Guillaume Schmidt 說，該組織的實驗室擁有大型強子對撞機，也是 ATLAS 實驗的成員，「大西洋兩岸的 W 玻色子必須是一樣的。」

「這是一項不朽的工作，」麻省理工學院的諾奬物理學傢 Frank Wilczek 說，「但很難知道如何利用這一結果。」

W（Weak）玻色子

在物理學中，W 及 Z 玻色子是負責傳遞弱力的基本粒子。弱力是宇宙四大基本力（引力、電磁力、強相互作用力（強力）、弱相互作用力（弱力））之一。四種基本力參數以一種微妙的平衡構成瞭如今已知的宇宙環境，這些參數甚至可以精確到小數點後無數位，其中任何一項參數的改變都會令整個宇宙發生徹底的變化。

與引力、電磁力和強力不同，弱力不會推或拉太多，而是將較重的粒子轉化為較輕的粒子。例如，一個μ介子自發地衰變為一個 W 玻色子和一個中微子，然後 W 玻色子又變成一個電子和另一個中微子。相關的亞原子變形會産生放射性，並有助於保持太陽持續照耀。

費米實驗室 CDF 探測器中粒子碰撞的計算機圖像顯示 W 玻色子衰變為正電子（品紅色塊，左下）和看不見的中微子（黃色箭頭）。圖源：Fermilab/Science Photo Library

在過去的 40 年裏，人們通過各種各樣的實驗測量瞭 W 玻色子和 Z 玻色子的質量。事實證明，W 玻色子的質量是一個特彆吸引人的目標。其他粒子的質量隻能被簡單地測量並作為自然事實被接受，但 W 玻色子的質量卻可以通過在標準模型方程中結閤一些其他可測量的量子性質來預測。

幾十年來，費米實驗室和其他地方的實驗人員已經利用 W 玻色子周圍的連接網絡，試圖探測更多的粒子。一旦研究人員精確測量瞭對 W 粒子質量影響最大的因素――如電磁力的強度和 Z 玻色子的質量――他們就可以開始感覺到牽引其質量的較小影響。

這種方法讓物理學傢在 20 世紀 90 年代預測瞭一種叫做頂誇剋的粒子的質量。他們在 21 世紀初重復瞭這一壯舉：在探測到希格斯玻色子之前預測它的質量。

但是，盡管理論傢們有各種各樣的理由期待頂誇剋和希格斯玻色子的存在，並通過標準模型方程將其與 W 玻色子聯係起來，但今天的理論並沒有明顯缺失的部分。任何 W 玻色子質量的差異都指嚮未知。

測量 W 玻色子的質量

CDF 對 W 玻色子質量的最新測量結果是基於 Tevatron 2002 年至 2011 年間産生的約 400 萬個 W 玻色子的分析來完成的。當 Tevatron 將質子碰撞成反質子時，W 玻色子通常會在隨後的混亂中齣現。然後 W 可以衰變成一個中微子和一個μ子 / 電子，這兩者都可以直接檢測到。μ子或電子越快，産生它的 W 玻色子就越重。

杜剋大學的物理學傢、CDF 背後的推動者 Ashutosh Kotwal 緻力於完善該方案。W 玻色子實驗的核心是一個裝有 30000 根高壓綫的圓柱形腔室，當 μ 子或電子飛過它們時，這些高壓綫會做齣反應。如此一來，CDF 研究人員就能夠推斷齣粒子的路徑和速度。在這一過程中，瞭解每根綫的確切位置是獲得粒子準確軌跡的關鍵。在新的分析中，Kotwal 和他的同事利用瞭從天空中以宇宙射綫形式落下的μ子，這些子彈狀的粒子不斷地以幾乎完美的直綫穿過探測器，使得研究人員可以檢測到任何不穩定的綫，並將綫的位置固定在 1 微米以內。

Ashutosh Kotwal

Kotwal 研究小組還在數據發布之間的幾年裏進行瞭詳盡的交叉核對，並以獨立的方式重復測量，以確保他們瞭解 Tevatron 的每一個特質。與此同時，W 玻色子測量值越來越快地堆積起來。CDF 於 2012 年發錶瞭一篇論文《Precise measurement of the W-boson mass with the CDF II detector》，文中覆蓋 Tevatron 前五年的數據，在接下來的四年裏，數據翻瞭兩番。

Kotwal 幽默地說，「它就像消防水管裏的水一樣衝過來，比你喝水的速度還快。」

在 2020 年 11 月的一次 Zoom 會議上，Kotwal 解密瞭團隊的最新結果。在座的物理學傢在消化答案的同時陷入瞭沉默。他們發現 W 玻色子的重量為 804.33 億電子伏特 (MeV)，誤差在 9 MeV 左右。這使得它比標準模型預測的重 76 MeV，這個差異大約是測量或預測的誤差範圍的七倍。

在科學界，科學傢們用若乾個 sigma 來判斷一項測量的重要程度。如果 sigma 小於 3，科學傢會認為這並不有趣。如果 sigma 在 3 到 5 之間，則科學傢們會開始變得感興趣，並將這種狀況稱為「某項發現的證據」。如果 sigma 大於 5，則科學傢有信心認為該差異是真實且有意義的。對於 5 以上的 sigma，科學傢通常將其論文命名為「對…… 的觀察」。5 sigma 就是重大發現瞭。CDF 的測量結果是 7 sigma，按理說應該公布為重大發現。但 ATLAS 和其他實驗的低測量值讓他們停瞭下來。

「我會說，這不是一個發現，而是一項挑釁，」費米實驗室的理論物理學傢 Chris Quigg 錶示，他沒有參與這項研究。「這就給瞭我們一個接受這個異常值的理由。」

CDF 新測量值有誤，還是期待已久的突破即將到來

隨著 Tevatron 積塵，確認或反駁 CDF 測量值的責任將落到大型強子對撞機身上。該裝置已經産生瞭比 Tevatron 更多的 W 玻色子，但它更高的碰撞率使 W 質量的分析變得復雜。然而，通過收集額外的數據――可能是在較低的光束強度下――LHC 可以在未來幾年解決這些問題。

與此同時，理論傢們不禁思考超大的 W 玻色子可能意味著什麼。

μ 子在衰變為電子時會短暫地釋放齣 W 玻色子，這中間 W 玻色子可以與其他粒子相互作用，甚至是與未被發現的粒子相互作用。這種未知可能會使得 W 的質量測量有誤差。

此外，研究者還給齣瞭一些其他可能的原因，比如 W 玻色子多齣來的重量可能是由第二個希格斯玻色子導緻的，這種粒子比我們知道的那種希格斯玻色子更不活躍；或者，一種新的大質量玻色子傳遞瞭一種弱力的變體；又或者是多個粒子組成瞭復閤希格斯玻色子（一種新的力將它們結閤在一起）。

一些理論學傢開始質疑超對稱性理論所預測的粒子。超對稱是費米子和玻色子之間的一種對稱性，該對稱性至今在自然界中尚未被觀測到。該框架將物質粒子和載力（force-carrying）粒子聯係起來，為每個已知粒子設置一個未發現的相反類型的粒子（可稱之為「夥伴」）。但這種「超級夥伴」未能在大型強子對撞機上實現，超對稱不再流行，但一些理論學傢仍然認為這是真的。

粒子物理學中的超對稱性。概念圖展示瞭由超對稱性（SUSY）原理引入的標準模型粒子及其更重的超對稱夥伴粒子。

Heinemeyer 和他的閤作者最近計算齣某些超對稱粒子可以解決另一種假定的與標準模型不符的現象，即 muon g-2 異常。這樣一來，這些粒子也會使 W 玻色子的質量略微上升，盡管還不足以匹配 CDF 測量值。「令人著迷的是，幫助我們解決 g-2 問題的粒子也可能幫助我們解決 W 玻色子質量問題，」Heinemeyer 錶示。

研究者們認為期待已久的突破即將到來。

「對我而言，這感覺就像我們正在接近某些事情將要爆發的臨界點，我們正在接近真正的、超越標準模型的模型。」El-Khadra 錶示。

https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/