物理学开启新篇章？Science封面：近400位科学家最精准测出W玻色子质量

 

2022年，大名鼎鼎的美国费米实验室，搞了个大新闻！

不仅推翻自己2012年的实验结论，还让上世纪70年代就确立的标准模型摇摇欲坠？

 

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

今天Science的封面文章，合著的物理学家有近400位，他们将W玻色子的测量精度达到了前所未有的高度——0.01%。

最重要的是，这次测出来的质量竟然比基本模型预测的要重了近0.1%。

而这看似微小的差异，带来的很可能是一个全新的物理学。

精度x2，误差仅为9.4MeV！

 

那么为什么这篇论文成了个大新闻呢？

 

通常来说，科学界会以电子伏特的能量单位来衡量亚原子粒子的质量，即eV。就基本粒子而言，W玻色子，是一个相对重量级的粒子，甚至比铁原子还要大。

 

在最新的测量中，W玻色子的中心值和不确定度为80433.5±9MeV/c2，而此前标准模型预测的W玻色子的质量则为80,357MeV，整整差了7个σ。

 

作为曾经世界上最强大的粒子对撞机，坐落在芝加哥郊外的Tevatron，运行时间超过了20年。

 

虽然在2011年的时候就已经寿终正寝，但是这波对旧数据分析堪称「惊喜」。

 

10年来，围绕着CDF项目合作的400名科学家们，故意用加密技术隐藏了W玻色子的质量，并专注于提升测量的精度。

 

2020年11月，当其中的22位科学家聚在一起并通过电话会议公布了最新的成果：对重达5000吨的探测器所记录的大约420万个W玻色子的分析（是2012年时的4倍）。

 

这次揭幕是最后一步，也就是解密数据并计算出最终答案的时刻。

 

结果大家也都知道了——W玻色子比理论预测的要重得多。

 

据杜克大学的物理学教授Ashutosh Kotwal分析，这个结果只有不到10亿分之一的概率会是统计学上的侥幸。

 

 

在此之前，2012年测出的质量为80387±19MeV，精确度为0.02%。

 

论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.151803

 

今天的主角：W玻色子

 

想要了解Science这篇论文究竟在干什么，就绕不开对弱相互作用和W玻色子的讨论。

 

众所周知，在我们生存的宇宙里有四种基本相互作用（已发现的），分别是：引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。

 

 

前两种力大部分人在初高中就都知道了。它们是两种长程力，作用强度随距离增加而减少。后两种力是短程力，它们的作用范围很小，影响力随距离的增加而急剧减少。

 

强相互作用，看过「三体」的读者都不会陌生，正是这种力构造了「水滴」。这种力能使夸克结合形成质子、中子等复合粒子。

 

 

而我们今天的主角，是弱相互作用。它是四种力中，强度第二弱，作用距离第一短的短程力。这种力是导致原子核β衰变的原因（不知道什么是β衰变没关系，这不重要）。

 

先问一个问题：这四种力都是通过什么方式进行传递的呢？这个问题很关键，答案直接指向了Science论文的研究内容。

 

我们知道，四种力都是由某种粒子传递的。这种粒子被称为规范玻色子。进一步细分的话，传递电磁相互作用的是光子，传递强相互作用的是胶子。

 

那么传递弱相互作用的是什么粒子呢？答案是W玻色子和Z玻色子。

 

 

Science论文研究的就是W玻色子，这种粒子的质量大约是一个质子或是中子质量的80多倍，带正或负电荷，平均寿命约为3\times10^{-25}秒。

 

对于不了解情况的人来说，测量一个微小粒子的质量可能看起来不是什么大事。

 

但这项工作不仅仅是对超精确的完美主义的痴迷，而且是对粒子物理学标准模型的压力测试。

 

在粒子物理学里，标准模型（Standard Model，SM）是描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质基本粒子的理论，属于量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

 

在此之前，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。

 

 

全新的物理学框架？

2012年，在欧洲量子物理研究所，世界上最大的核粒子加速器LHC（大型强子对撞机）发现了一直以来只停留在猜想中的希格斯玻色子。

 

希格斯玻色子

 

新理论的诞生成功解释了已知的所有粒子间的相互作用，但显然还存在一些不足。比方说，没能解释引力是靠什么粒子传播，以及暗物质的问题，而后者构成了宇宙85%的物质。

 

虽然但是，科学家也算是知道了所有的标准模型粒子，现在总算可以检验一下理论内部究竟是不是自洽的了。

 

比方说，上文提到的W玻色子的质量，就取决于希格斯玻色子和顶夸克（这是一种重量较大但寿命极短的亚原子粒子）。（注：希格斯玻色子和顶夸克与W玻色子之间的关系此处不细表）

 

有了这些理论，科学家再把测得的结果一输入，就能预测W玻色子的质量，然后看看和实际测得的质量之间有没有偏差。

 

一个W玻色子衰变为一个正电子（品红色块，左下角）和一个中微子（黄色箭头）

 

不过，实际的测量却不是件容易的事。

 

W玻色子在高能粒子的碰撞中产生，之后迅速衰变，要不成为电子，要不成为μ介子（这是W玻色子的「兄弟」，质量更大），要不成为反中微子（这是中微子的反粒子，中微子是轻子的一种，是组成自然界的基本粒子之一）。

 

这三种衰变的结果中，反中微子检测不到，所以科学家必须减少反中微子的存在（具体减少的方式不细表）。

 

总之，通过衰变粒子的能量和动能，通过对数据进行统计和分析，科学家就可以估算出W玻色子的质量。

 

 

这次，费米实验室（CDF）的传回来的数据显示，W玻色子的质量为80433.5MeV。

 

这究竟是否意味着全新物理学的诞生？具体的还不好说，但肯定是个大新闻没跑了。

 

与此同时，科学家还发现了其它一些细微的反常，总之都指向了标准模型可能要「塌房」了。

 

比方说，μ介子的磁性好像比想象中要更强。

 

新结果甚至还把CDF 2012年自己的结果给推翻了。CDF的研究人员不信邪，又做了更多的分析，试图解释这种差异的成因。

 

最后在经历了多次试验后，一位研究人员终于表示，「我们用的办法肯定没错...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。」

 

对此，美国的ScienceNews指出，「这可能会指向全新的物理学。」

 

 

知乎答主@王清扬表示，如果W玻色子的质量变了，也就意味着理论中的其他部分也很可能会出现问题，首当其冲的是希格斯机制：

在标准模型当中，W玻色子的质量是希格斯机制给的。希格斯机制让SU(2)×U(1)的电弱对称性自发破缺，产生戈德斯通玻色子，然后W玻色子吸收了戈德斯通作为自己的纵模，由此获得了质量。

 

当然，也可能说明有其他的物理机制或者说未知的新粒子对W玻色子的质量有贡献，比如说超对称。

 

其实出现了误差，和想象中的沮丧不同，科学家普遍都是开心的。他们明白，这是有新东西要来了。

 

名为误差、实为进步。

 

苏黎世大学的实验粒子物理学家Florencia Canelli表示，「测量结果真让人兴奋。这肯定是我们领域内的重大发现。」

 

如果结果确实是这样，那就是粒子物理学的标准模型首次出现大偏差，而这个模型自从1970年问世就一直没什么大问题。

 

标准模型不够完整，这是肯定的。但是任何一点点可能导致它「塌房」的因素，都有可能指向了另一个全新的替代模型，指向了新的粒子。

 

Ashutosh Kotwal表示，「我们都有这种感觉，这次测量结果，就是大自然在用这种方式向我们传达信息，告诉我们还有什么是大自然留给我们，但我们还不知道的。」Kotwal是杜克大学的一名实验粒子物理学家，他领导了CDF的此项研究。

 

物理学的美可能就在这里了：细微之处见真章，毫厘之优定乾坤。看看这次，这么个小粒子质量差这么一点，背后的含义却是划时代的。

 

物理学到底还有多少奥秘等待科学家的挖掘，这永远会是个未知的难题。理论物理学家Sven Heinemeyer表示，「这些粒子还可能帮助科学家解决另一个物理学之谜——μ介子的磁场波动。」

 

不管怎么说，无论物理学家发现了什么，这都是对这一关键粒子的全新认识。

 

让我们一起期待科学家们进一步的实验研究吧。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3939

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

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

https://www.zhihu.com/question/526650510/answer/2428756805