基础物理面临冲击：费米实验室W玻色子质量实验与理论矛盾，登《科学》封面

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机器之心编译

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编辑：张倩、陈萍

假如这项发现被其他实验证实，那么这将是颠覆粒子物理学标准模型的一次重大突破。

物理学家发现，一种被称为 W 玻色子的基本粒子似乎比标准模型预测得要重 0.1%，这一微小的差异可能预示着基础物理学将迎来重大转变，相关结果登上了新一期的《科学》杂志封面。

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这一测量结果来自美国费米国家加速器实验室的一台老式粒子对撞机——Tevatron，它在十年前粉碎了最后一批质子。在此之后，由 400 多位成员组成的 CDF（Collider Detector at Fermilab）小组继续分析对撞机产生的 W 玻色子，追踪无数的误差源，以达到无与伦比的精确度。

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如果 W 玻色子这「多出来的 0.1% 的重量」可以被独立证实，那就意味着自然界还存在一些我们未发现的粒子或力，这将带来半个世纪以来量子物理定律的首次重大改写。

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「这将彻底改变我们看待世界的方式」，其意义甚至可能与 2012 年发现希格斯玻色子相媲美，马德里理论物理研究所物理学家 Sven Heinemeyer 说。「希格斯粒子非常符合先前已知的图景。但这次的发现代表了一个全新的领域。」

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这一发现正值物理学界渴望发现粒子物理学标准模型的缺陷之际。标准模型是一套长期统治物理学界的方程，它涵盖了所有已知的粒子和力。已知标准模型是不完整的，很多问题借助标准模型都很难解释，例如暗物质的性质。CDF 小组的良好记录使得他们的新结果对标准模型构成了可信的威胁。

在粒子物理学里，标准模型（英语：Standard Model, SM）是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到引力。标准模型共 61 种基本粒子，包含费米子及玻色子——费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。

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伊利诺伊大学香槟分校的理论物理学家 Aida El-Khadra 说：「他们已经完成了数百次漂亮的测量。他们以严谨著称。」

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但是还没有人开香槟庆祝。虽然单独来看，CDF 测得的 W 玻色子质量与标准模型的预测相去甚远，但其他小组的结果与标准模型的差别并没有那么大（虽然不那么精确）。例如，2017 年，欧洲大型强子对撞机（LHC）的 ATLAS 实验也测量了 W 玻色子的质量，发现它比标准模型所预测的只重一根头发。CDF 和 ATLAS 之间的冲突表明，至少有一个小组忽略了他们实验中一些微妙的古怪之处。

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大型强子对撞机鸟瞰图。环形隧道长 27.36 公里。

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「我希望 CDF 的结果得到证实，也希望了解它与先前测量的差异，」欧洲核子研究组织的物理学家 Guillaume Schmidt 说，该组织的实验室拥有大型强子对撞机，也是 ATLAS 实验的成员，「大西洋两岸的 W 玻色子必须是一样的。」

「这是一项不朽的工作，」麻省理工学院的诺奖物理学家 Frank Wilczek 说，「但很难知道如何利用这一结果。」

W（Weak）玻色子

在物理学中，W 及 Z 玻色子是负责传递弱力的基本粒子。弱力是宇宙四大基本力（引力、电磁力、强相互作用力（强力）、弱相互作用力（弱力））之一。四种基本力参数以一种微妙的平衡构成了如今已知的宇宙环境，这些参数甚至可以精确到小数点后无数位，其中任何一项参数的改变都会令整个宇宙发生彻底的变化。

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与引力、电磁力和强力不同，弱力不会推或拉太多，而是将较重的粒子转化为较轻的粒子。例如，一个μ介子自发地衰变为一个 W 玻色子和一个中微子，然后 W 玻色子又变成一个电子和另一个中微子。相关的亚原子变形会产生放射性，并有助于保持太阳持续照耀。

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费米实验室 CDF 探测器中粒子碰撞的计算机图像显示 W 玻色子衰变为正电子（品红色块，左下）和看不见的中微子（黄色箭头）。图源：Fermilab/Science Photo Library

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在过去的 40 年里，人们通过各种各样的实验测量了 W 玻色子和 Z 玻色子的质量。事实证明，W 玻色子的质量是一个特别吸引人的目标。其他粒子的质量只能被简单地测量并作为自然事实被接受，但 W 玻色子的质量却可以通过在标准模型方程中结合一些其他可测量的量子性质来预测。

几十年来，费米实验室和其他地方的实验人员已经利用 W 玻色子周围的连接网络，试图探测更多的粒子。一旦研究人员精确测量了对 W 粒子质量影响最大的因素——如电磁力的强度和 Z 玻色子的质量——他们就可以开始感觉到牵引其质量的较小影响。

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这种方法让物理学家在 20 世纪 90 年代预测了一种叫做顶夸克的粒子的质量。他们在 21 世纪初重复了这一壮举：在探测到希格斯玻色子之前预测它的质量。

但是，尽管理论家们有各种各样的理由期待顶夸克和希格斯玻色子的存在，并通过标准模型方程将其与 W 玻色子联系起来，但今天的理论并没有明显缺失的部分。任何 W 玻色子质量的差异都指向未知。

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测量 W 玻色子的质量

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CDF 对 W 玻色子质量的最新测量结果是基于 Tevatron 2002 年至 2011 年间产生的约 400 万个 W 玻色子的分析来完成的。当 Tevatron 将质子碰撞成反质子时，W 玻色子通常会在随后的混乱中出现。然后 W 可以衰变成一个中微子和一个μ子 / 电子，这两者都可以直接检测到。μ子或电子越快，产生它的 W 玻色子就越重。

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杜克大学的物理学家、CDF 背后的推动者 Ashutosh Kotwal 致力于完善该方案。W 玻色子实验的核心是一个装有 30000 根高压线的圆柱形腔室，当 μ 子或电子飞过它们时，这些高压线会做出反应。如此一来，CDF 研究人员就能够推断出粒子的路径和速度。在这一过程中，了解每根线的确切位置是获得粒子准确轨迹的关键。在新的分析中，Kotwal 和他的同事利用了从天空中以宇宙射线形式落下的μ子，这些子弹状的粒子不断地以几乎完美的直线穿过探测器，使得研究人员可以检测到任何不稳定的线，并将线的位置固定在 1 微米以内。

Ashutosh Kotwal

Kotwal 研究小组还在数据发布之间的几年里进行了详尽的交叉核对，并以独立的方式重复测量，以确保他们了解 Tevatron 的每一个特质。与此同时，W 玻色子测量值越来越快地堆积起来。CDF 于 2012 年发表了一篇论文《Precise measurement of the W-boson mass with the CDF II detector》，文中覆盖 Tevatron 前五年的数据，在接下来的四年里，数据翻了两番。

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Kotwal 幽默地说，「它就像消防水管里的水一样冲过来，比你喝水的速度还快。」

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在 2020 年 11 月的一次 Zoom 会议上，Kotwal 解密了团队的最新结果。在座的物理学家在消化答案的同时陷入了沉默。他们发现 W 玻色子的重量为 804.33 亿电子伏特 (MeV)，误差在 9 MeV 左右。这使得它比标准模型预测的重 76 MeV，这个差异大约是测量或预测的误差范围的七倍。

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在科学界，科学家们用若干个 sigma 来判断一项测量的重要程度。如果 sigma 小于 3，科学家会认为这并不有趣。如果 sigma 在 3 到 5 之间，则科学家们会开始变得感兴趣，并将这种状况称为「某项发现的证据」。如果 sigma 大于 5，则科学家有信心认为该差异是真实且有意义的。对于 5 以上的 sigma，科学家通常将其论文命名为「对…… 的观察」。5 sigma 就是重大发现了。CDF 的测量结果是 7 sigma，按理说应该公布为重大发现。但 ATLAS 和其他实验的低测量值让他们停了下来。

「我会说，这不是一个发现，而是一项挑衅，」费米实验室的理论物理学家 Chris Quigg 表示，他没有参与这项研究。「这就给了我们一个接受这个异常值的理由。」

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CDF 新测量值有误，还是期待已久的突破即将到来

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随着 Tevatron 积尘，确认或反驳 CDF 测量值的责任将落到大型强子对撞机身上。该装置已经产生了比 Tevatron 更多的 W 玻色子，但它更高的碰撞率使 W 质量的分析变得复杂。然而，通过收集额外的数据——可能是在较低的光束强度下——LHC 可以在未来几年解决这些问题。

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与此同时，理论家们不禁思考超大的 W 玻色子可能意味着什么。

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μ 子在衰变为电子时会短暂地释放出 W 玻色子，这中间 W 玻色子可以与其他粒子相互作用，甚至是与未被发现的粒子相互作用。这种未知可能会使得 W 的质量测量有误差。

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此外，研究者还给出了一些其他可能的原因，比如 W 玻色子多出来的重量可能是由第二个希格斯玻色子导致的，这种粒子比我们知道的那种希格斯玻色子更不活跃；或者，一种新的大质量玻色子传递了一种弱力的变体；又或者是多个粒子组成了复合希格斯玻色子（一种新的力将它们结合在一起）。

一些理论学家开始质疑超对称性理论所预测的粒子。超对称是费米子和玻色子之间的一种对称性，该对称性至今在自然界中尚未被观测到。该框架将物质粒子和载力（force-carrying）粒子联系起来，为每个已知粒子设置一个未发现的相反类型的粒子（可称之为「伙伴」）。但这种「超级伙伴」未能在大型强子对撞机上实现，超对称不再流行，但一些理论学家仍然认为这是真的。

粒子物理学中的超对称性。概念图展示了由超对称性（SUSY）原理引入的标准模型粒子及其更重的超对称伙伴粒子。

Heinemeyer 和他的合作者最近计算出某些超对称粒子可以解决另一种假定的与标准模型不符的现象，即 muon g-2 异常。这样一来，这些粒子也会使 W 玻色子的质量略微上升，尽管还不足以匹配 CDF 测量值。「令人着迷的是，帮助我们解决 g-2 问题的粒子也可能帮助我们解决 W 玻色子质量问题，」Heinemeyer 表示。

研究者们认为期待已久的突破即将到来。

「对我而言，这感觉就像我们正在接近某些事情将要爆发的临界点，我们正在接近真正的、超越标准模型的模型。」El-Khadra 表示。

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