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3 f, e1 b% C: H, W5 S& v# D 本文转自：中科院中国科普博览
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; O, g4 v+ y' x1 T/ q3 J. { 2022年4月7日，《科学》杂志的封面文章爆出了一条引发物理学界震动的大新闻。这篇由近400位科学家合著的论文指出，他们对W玻色子的质量进行了前所未有的高精度测量，结果发现测量值比粒子物理标准模型的预测值重了近0.1%。这一差异看似十分微小，但它在粒子物理学体系中的含义却无比重大。一旦该测量值得到佐证，它或许意味着一个全新物理学时代的到来，而人类对物质世界的认知边界，也很可能发生革命性的突破。
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（来源：《科学》官网截图） 9 |' w E$ Z; z0 l2 y( E
粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群众所能理解的，它到目前为止最大的成就之一就是建立了粒子物理的标准模型。那么，这个标准模型到底讲了些什么？有没有可能用生活中的概念去尝试理解它？如何从粒子物理标准模型的角度来理解本次的“大新闻”？ 7 z8 e8 m% l+ I8 ~, \; b* S" b
首先我们必须承认，标准模型是人类历史上最复杂，最难以理解的物理理论，甚至没有之一。即便是维基百科或者百度百科中的描述，普通人也可能一个字都看不懂。为了让大家都够获得一点可以“打包外带”的知识，我们也只能尽可能地以描述化、图像化的方式来跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事儿。
, m" P3 {% ^$ r9 w- S5 Q Part.1 / x7 I* R ?- U/ [6 z0 U( }
粒子物理想要解决怎样的问题？ 7 G& P- s1 `# w! V: y8 ^4 D
粒子物理学主要研究组成物质的基本粒子以及它们之间的相互作用。很多种类的射线（例如电子束、中微子束等）即便肉眼不可见，也仍然能与其他有形或者无形的物质发生各种作用和交互，事实上隶属于广义的物质，因此同样是粒子物理的研究范畴。 ' f( n7 ~; q& J* N* n, s
由于许多基本粒子在自然界不能稳定存在或不单独出现，物理学家们只能利用高能粒子加速器让它们相互碰撞，才能让它们出现在观察视野，进而研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。那么问题来了，耗费巨资才能实施的粒子物理研究，科学家们到底希望从中找到哪些答案？ 2 \0 ]2 N% D% h r5 ^8 q/ n
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兆电子伏特加速器（左）和大型强子对撞机（右）
$ ^: Z6 m5 c3 p* P （来源：维基百科“粒子加速器”） 0 d. U$ q+ [: E, O: }# _8 T
粒子物理想要回答的问题主要有两个，第一是物质由什么组成，第二是物质间如何相互作用。这里的物质包括从宇宙星体到原子内部的广大物质世界，而作用形式也包括强力、弱力、电磁力与引力这四大基本力。
$ Y0 s7 i: w# S( W( A* L 换句话说，粒子物理致力于寻找一系列物质世界中最基本问题的答案。它可能不像很多应用科学一样，很快就能找到与日常生活的契合点，从而迅速造福人类。但粒子物理决定了人类认识客观世界的视野边际，实际上也决定了人类科技水平所能达到的上限。即便看上去“没什么大用”，但只有先认识规律才能利用规律。好比学习外语，人永远不可能说出自己从未接触过的单词，探索和理解正是应用的前提。 * `$ f- l) v% R
Part.2
4 \4 s% r# M/ r 粒子物理的标准模型是什么？
# c2 [( [; [7 [2 t* q$ Z$ J 经过物理学家100多年的努力，人类的认识水平已经深入原子核内部，甚至将组成原子核的质子和中子又分解为更加基本的粒子。并且，人类还发现四大基本力的作用形式其实还与某些传递这些作用的媒介粒子有关，例如电磁作用就与光子关系密切，这就好比是两个不直接接触的人通过互相抛掷小球感受到彼此的力量。 4 `+ H3 w( [% n
最终，科学家们通过将组成物质的粒子细分，以及寻找作用力间负责力传递的各种粒子，获得了一个由基本粒子构成的庞大家族，这个家族的家谱就叫粒子物理标准模型。 * c, a$ N$ g, E& M$ ?8 H2 s& u1 F
标准模型的基本粒子分为两大类型，分别是负责组成物质的夸克和轻子，以及负责传递相互作用的媒介子。这些基本粒子们还有各自的属性，比如质量、电荷、自旋以及味道、颜色等等，这又导致同一个种类的基本粒子有时候还要细分成几种。比如共有6种味道的夸克，每味夸克又分为3种颜色，再加上正反，一共就是36种夸克。最终，目前的标准模型中包含了61种基本粒子。 / f L8 |& T" }. }+ m4 @
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粒子物理标准模型
8 a3 b3 ?4 s6 l1 Y （来源：维基百科“标准模型”） 6 |# i7 q9 c; j/ y
你一定会觉得标准模型和你印象中的物理完全不同，印象中的物理简洁而优雅，而标准模型却有一种“为赋新词强说愁”的感觉。实际上，很多科学家最初也有这样的困惑，如果说构建标准模型是给基本粒子们盖房子，科学家们最开始的计划其实是盖个蒙古包，结果后来发现得修四合院，后来发现房间不够住又被迫起了小公寓，到最后不知不觉就盖成了摩天大楼。
+ G4 P/ l$ n* z6 T% o# W+ k 不过最厉害的是，虽然标准模型的建立过程是摸着石头过河，但是目前为止，它极好地统一了电磁力、强力和弱力，经它预言的很多新粒子也在之后陆续被人发现。这个过程我们还是用盖楼来比喻说明，最开始这楼怎么搭大家都没主意，一边盖一边想。有人说这儿得多加一层，有人说这儿得留几个屋。最后没想到，房间刚刚好，客人都满意。 5 C% R3 G5 K- a
一直到希格斯粒子于2012年被发现后，现行粒子物理标准模型的61个房间都被全员入住了。在这座大厦的构筑过程中，很多科学家都发挥了关键作用，直接与之相关的诺贝尔奖得主就有数十人之多。他们或是在寻找“客人”的过程中做出了突出贡献，例如丁肇中在实验上率先发现了重味夸克粲夸克c；或是对“大厦的蓝图”做出了合理的意见和建议，例如希格斯通过构造希格斯机制理论上预言了希格斯玻色子。
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如何用《西游记》来类比标准模型？
8 B" F6 [2 n, d8 a 如果你还是没法理解标准模型，那么我们就以《西游记》为例来做个说明。在《西游记》的世界中，龙王跟土地掌管山川海洋，魑魅魍魉各自为祸一方，天庭的神仙们无忧无虑，佛祖在西方普度众生，阎王爷在地底下暗戳戳苦哈哈地记着生死簿。
6 J* t9 w3 |! P; T( Y& E 你要问它们之间靠啥联系，那就是取经组的四人一马。如果说标准模型是《西游记》，那么其中每种势力都包含着若干成员，比如各种夸克好比各自是小钻风、白骨精、玉面狐，合称妖魔鬼怪；而取经四人组上通天庭下达地府，因此扮演着媒介子的角色。 * D) }/ }+ L1 I7 D% X5 s
Part.4 * L( z) ]) o: G2 W, _
“大新闻”具体是怎么回事？ 0 F# I2 O' H; V% a1 t! A1 ] [% ^: U
了解了标准模型的大致图景，我们来看看本次“震动”物理学界的重大发现。
% q/ x1 M" z! g' S% u W玻色子在标准模型中处于非常核心的位置，自从1983年被观测到以来，科学家们一直在尝试以尽可能高的精度来测定其质量。事实上，之前的各项实验结论均取得了与标准模型的预言吻合度很高的W玻色子质量，这也是标准模型正确性的决定性证据之一。 & N* g Q9 m) s3 }- C" L) M* B
但在最新的测量中，W玻色子的质量为80433.5±9MeV（下图右下CDF Ⅱ），而此前标准模型的预测值则为80357MeV（图中灰色立柱）。有趣的是，本次测量的数据推翻了2012年在同一台对撞机上获得的结论（下图下方蓝色的CDF2012），也极大地提高了另外一次测量获得的精度（下图上方的CDF I）。由于获得了极高的精度和显著的统计学差异，本次测量的结果可以说是爆出了粒子物理学界最近三十年来的最大发现。那么，科学家们采用了怎样的测量方法，该方法靠谱吗？
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通过来自不同加速器的实验数据所测得的W玻色子质量值
) O- g+ P9 e$ k, {3 @2 G6 q8 S （来源：《科学》杂志） $ n/ V" R$ _% F2 B. y5 q8 \( k
Part.5 & |! ~2 [' U! v% ]* V+ S: E
W玻色子质量的测定绝非易事
) d: ~ ^: D: a& R& B$ ]& F W玻色子在高能碰撞中产生，之后迅速衰变，在它的衰变过程中，将可能产生电子、缪子或者反中微子等。由于中微子无法使目前所采用的探测器发生反应，因此中微子实际的产生量看起来无从而知。
1 @4 K- C' C2 b" h3 J% o+ c 通常，我们可以通过测量衰变产物的能量和动量来确定基本粒子的质量，但由于无法直接测量W玻色子产生的中微子产物，上述经典方法就不适用了。 , {" O' b: ^2 ~3 x
因此，科学家们采取了一种折中的方式，他们并没有测量单个碰撞事件中产生的单个粒子，而是测定整个碰撞事件的整体结果。即整体上来看损失的能量和动量都应该归因于中微子，然后再据此反推W玻色子质量。 ) |4 B! I3 q* W" ]
然而，如果对整个碰撞事件进行测量，同样存在一定的困难——粒子探测器无法测出非常微小的动量变化。不过科学家们有折中的办法，他们根据碰撞后粒子的动量分布，可以计算出无法测量动量的粒子所占的比率，再据此来修正对动量的测量结果。
a# _# U1 N. _( p6 {2 V 可见，对W玻色子质量的精确测定绝非易事，将近400位科学家耗费十年时间，才最终将这一结论公之于众。特别是考虑到实验结论注定会对现有理论造成强烈冲击，本次的论文也是在反复检验的基础上才进行发表。 , W2 T0 O# b m& Q( ^
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论文作者名单就占据了一页纸篇幅
2 N: e( v* t6 c/ s$ V* V/ a （来源：《科学》杂志）
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标准模型的大厦真要“塌房”了？
; e9 [' k# p! {* G) Q Y3 }0 o 一位参与该项目的研究人员对此表示，“我们用的办法肯定没错.……但差异这么大，只能说明自然界还有点什么新东西，原先的标准模型没涵盖。”那么，我们应该如何用盖房子的类比来理解他的话呢？ : B( J& E2 z- q; d
首先，我们必须承认标准模型并不完美，它仍然有不少无法回答的问题，例如引力的本质、宇宙中的暗物质和暗能量谜团等等。这说明标准模型的大厦还有继续扩建的必要，还有应该入住的住户无家可归，被关在大厦之外，无法找到属于自己的房间。
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粒子物理学标准模型在物理学体系中所处的位置 * x, @5 ^' A. r' t0 F
（来源：维基百科“万有理论”） ! u# Z* d1 i& j: O
其次，在之前的标准模型内部，我们仍然认为它是足够自洽的。如同上面所说，大厦的修筑过程虽然耗费了数十年之久，但最后的结果还算完美，无论是从“61位住户”还是“大厦结构”本身的角度来说，看起来都刚刚好，住户与住户之间的相处还算和谐。 & j0 ]8 j3 Y% T+ c J
然而，本次的新发现却提示我们，有一位“住户”的登记信息和实际情况好像有所不符。到底是房间的设计有问题，还是存在着某些“神秘的新住户”，我们仍然不得而知。当然，实验结果本身出了问题，也并非不可能，目前的当务之急是利用其它加速器获得的数据进行独立校验。
6 Z1 V- T% ]: R2 v 假如本次实验结论的正确性得到证明，那么标准模型理论所做出的类似预测，例如Z玻色子的质量、温伯格角、顶夸克质量以及希格斯玻色子质量等都有进一步进行高精度验证的必要。一旦实测数据和标准模型的理论预言确实存在普遍偏离，那么现有的标准模型可能必须面临修正。 , g- ?7 L# Z( {
从这个意义上说，本次成就归功于粒子物理学领域在过去二三十年间进行的大量实验，堪称是无数科研人员的集大成之作。理论物理学家们在过去几十年来一直期待的“新物理”，可能真的要进入人类的视野了。
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（来源：Freepik.com） 5 j1 p/ B7 H) y) t( _1 `; H
参考文献:
$ [7 \ m$ h8 w. A) v, x/ r3 Q [1] 挑战标准模型？最新W玻色子质量测量值高出理论7个标准差
+ G4 J3 l b) ^8 K$ B: S3 t- n, K+ m https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html
6 n8 }$ r4 {7 v+ t+ ? [2] High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector
. B" x# d5 Y+ L" p https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
4 y8 T6 ^9 Q3 ^: b0 S9 p2 O [3] Wボソンの質量が... $ K, x( f; M+ O3 b! {& g) v
https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html * C5 A- ]% |$ U! Z) ?
[4] 费米实验室W玻色子质量实验与理论矛盾，登《科学》封面 - {3 ^$ `# f# M' g- ?3 z+ o
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1729525697847274262&wfr=spider&for=pc
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5 {4 A( e( W+ V# ^6 f6 c 本文由科普中国前沿科技出品，张昊制作，中国科普博览监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。 0 F$ ~9 J4 P$ u" t
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