北京時間4月8日凌晨，《Science》封面文章報道了美國費米國家加速器實驗室公布的Tevatron質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機CDF實驗組對W玻色子質(zhì)量的最新測量結(jié)果。文章稱，在前所未有的實驗精度下，W玻色子質(zhì)量為80433.5 ±9.4 MeV/c2，比理論預(yù)言值80357?±6?MeV/c2高出7個標準差。那么，這一結(jié)果是否挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的粒子物理標準模型，預(yù)示著將出現(xiàn)新物理？


編譯?|?劉航

審校?|?任愚、費進

北京時間2022年4月8日2時，美國CDF（Collider Detector at Fermilab，費米實驗室的對撞機探測器）國際合作組發(fā)布了W玻色子質(zhì)量測量迄今為止最精確的結(jié)果，比粒子物理標準模型的理論預(yù)言值高了7個標準差。該實驗結(jié)果作為封面文章發(fā)表在4月7日的《科學（Science）》雜志上。

粒子物理標準模型是迄今最為成功的基本粒子理論，其描述了組成物質(zhì)的所有已知基本粒子及它們之間的強力、弱力和電磁力三種基本相互作用。強力將夸克和核子等束縛在一起構(gòu)成了原子核，電磁力將原子核和電子結(jié)合在一起構(gòu)成了原子和分子，那弱力有什么作用呢？事實上，弱力是至關(guān)重要的，尤其是對像太陽這樣的大質(zhì)量天體而言。弱力的載體是 W 和 Z 玻色子，與電中性的Z玻色子不同的是，W 玻色子帶有電荷。這意味著質(zhì)子可以通過發(fā)射帶正電的 W+ 玻色子而轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱╓+ 是W? 的反粒子）；四個氫核（即質(zhì)子）可以擠壓融合在一起最終形成氦核。在這個氫核聚變可釋放大量能量，從而維持太陽內(nèi)部的燃燒。

W玻色子于1980年代在歐洲核子研究中心（CERN – 法語：Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire）的超級質(zhì)子-反質(zhì)子同步加速器中被發(fā)現(xiàn)。它的質(zhì)量在大型電子正電子對撞機（LEP，LEPII，也在歐洲核子研究中心）、費米實驗室的 Tevatron 質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機及大型強子對撞機（LHC）的探測器 ATLAS 上都進行了測量。與粒子物理學標準模型中的其它基本粒子一樣，W 玻色子的質(zhì)量也源于Brout-Englert-Higgs機制，是粒子物理學標準模型的一個關(guān)鍵參數(shù)。正是對W玻色子質(zhì)量的粗略測量，使得物理學家在1990年以合理的精度預(yù)測了頂夸克的質(zhì)量。而后，利用W玻色子質(zhì)量和頂夸克質(zhì)量，研究人員對希格斯玻色子的質(zhì)量做了類似的預(yù)測，并于2012年在CERN得到了實驗證實。

圖1. 費米實驗室的對撞機探測器 (CDF)，其在Tevatron 粒子加速器上進行了重新設(shè)置安裝。CDF 進行了W玻色子質(zhì)量的精確測量實驗，W玻色子的質(zhì)量是粒子物理標準模型的關(guān)鍵參數(shù)。丨圖源：科學史圖片/Alamy Stock Photo

在粒子物理學中，數(shù)據(jù)往往會比生成數(shù)據(jù)的探測器存留更長的時間。十年前，費米實驗室重達 4100 噸的CDF探測器達到其使用期限并被關(guān)閉，其部件被拆解用于其它實驗。現(xiàn)在，對舊 CDF 數(shù)據(jù)的新分析發(fā)現(xiàn)了 W 玻色子質(zhì)量的驚人差異。由于W玻色子的衰變模式在實驗上的探測困難，其質(zhì)量測量精度一直停留在幾十個MeV/c2量級，最好的單個實驗的精度也在二十個MeV/c2左右。這與W玻色子的姊妹粒子——Z玻色子的質(zhì)量測量精度（2 MeV/c2）反差極大。實驗粒子物理學家為了提高測量精度付出了長期的不懈努力。

此次，CDF實驗合作組利用其二期運行（Run II）期間收集的所有數(shù)據(jù)，對W玻色子的質(zhì)量進行了目前為止最為精確的測量和評估，誤差（包括統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差）首次降至個位數(shù)——9 MeV/c2（圖2）。這一結(jié)果的精度達到了0.01%，超越了之前任何一個相關(guān)實驗的精度，也超越了之前所有相關(guān)實驗結(jié)果的加權(quán)綜合精度，因此樹立了用W玻色子質(zhì)量的精確測量對標準模型進行檢驗的一個新的里程碑。在這樣的測量精度下，CDF實驗合作組得到的W玻色子質(zhì)量比粒子物理標準模型的理論預(yù)言值高了7個標準差（包括實驗和理論誤差）。

物理學家很早便知道 W 玻色子的近似質(zhì)量，大約是質(zhì)子質(zhì)量的80倍左右——8萬MeV/c2。粒子物理標準模型預(yù)計W玻色子質(zhì)量應(yīng)為80357+/-6 MeV/c2。CDF合作組的最新結(jié)果顯示其質(zhì)量測量值為80433+/-9 MeV/c2，新的測量值比之前所有測量值都更精確，比標準模型的預(yù)測高出近 77 MeV/c2。盡管這些數(shù)字的差異只有千分之一左右，但每個數(shù)字的不確定性都非常小，以至于即使是這種微小的差異也具有巨大的統(tǒng)計意義——這不太可能是純粹偶然產(chǎn)生的。

圖2. 圖中展示了不同的實驗組對W玻色子質(zhì)量的測量結(jié)果和精度?；疑Q條代表粒子物理標準模型理論值及其誤差范圍（豎條寬度），紅球和紅線代表了各個實驗組的測量平均值及誤差范圍?？梢悦黠@看出，之前相關(guān)測量結(jié)果的誤差范圍都比CDF II的大。丨圖源：參考資料1

但是，粒子物理學界的興奮情緒被一種審慎態(tài)度所中和。盡管費米實驗室CDF II的結(jié)果是迄今為止對 W 玻色子質(zhì)量最為精確的測量，但它與先前另外兩個獨立的、接近符合粒子物理標準模型的實驗的測量結(jié)果不一致（參見和比較圖2中最下面的三個實驗結(jié)果：D0II, ATLAS,CDF II）。

“這不是我們期待的差異，”歐洲核子研究中心的實驗物理學家馬泰因·穆爾德斯（Martijn Mulders）說，他沒有參與費米實驗室的這項新研究，但在《科學》雜志上共同撰寫了一篇相關(guān)評論?！斑@非常出乎意料……因為突然間他們鋸掉了支撐整個粒子物理學框架的一根支柱?！?/p>

“這會惹惱一些人”，劍橋大學的理論物理學家本·阿拉納赫（Ben Allanach）教授說。

“我們需要知道到底發(fā)生了什么。我們還有另外兩個實驗與標準模型一致并且與這個實驗的結(jié)果很不一致，這讓我感到疑惑?！?/p>

挖掘數(shù)據(jù)

要測量W玻色子的質(zhì)量，必須要有一個粒子對撞機。Tevatron 運行于1983 年到 2011 年，是一個長達6.3公里的環(huán)形裝置，質(zhì)子以高達 2 TeV的能量撞擊反質(zhì)子，這一能量大約是 W 玻色子質(zhì)量的 25 倍。處于環(huán)路上的CDF探測器從2002年開始運行直到Tevatron關(guān)閉，在這些碰撞中尋找W玻色子的跡象。

人們不能直接觀測到W玻色子，它衰變成其它粒子的速度太快，任何探測器都無法直接捕捉到它。物理學家是通過研究其衰變產(chǎn)物——主要是電子和μ子——來推斷它的存在和性質(zhì)。仔細計算后，CDF合作團隊發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)中約有400萬個事件可以歸因于W玻色子衰變。通過測量這些事件中的電子和μ子的能量，物理學家們反推出W玻色子最初有多少能量，即其質(zhì)量。

該研究的通訊作者、CDF的發(fā)言人阿舒托什·科特瓦爾（Ashutosh Kotwal）說，由于數(shù)據(jù)存在諸多不確定性，這項工作花了十年時間才完成。為了達到其前所未有的精度水平——是先前由 ATLAS 合作進行的 W 玻色子質(zhì)量的最佳單次實驗測量精度的兩倍——CDF 團隊將他們的數(shù)據(jù)集增加了四倍。其中包括對質(zhì)子和反質(zhì)子碰撞進行建模，并對已經(jīng)退役探測器的運行進行新的、更徹底的檢查——甚至用以往宇宙射線數(shù)據(jù)展示到微米量級來排除對實驗數(shù)據(jù)的影響。

實驗可信度

細微異常比比皆是，不過絕大多數(shù)只是由實驗產(chǎn)生和記錄的大量事件所引起的統(tǒng)計上的數(shù)據(jù)漲落。在這種情況下，當收集到更多的數(shù)據(jù)時，這些隨機異?，F(xiàn)象就會消失。不過，這一最新的W玻色子質(zhì)量值的異?，F(xiàn)象似乎并不是統(tǒng)計上的漲落，因為關(guān)于其測量已有大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，而且對該質(zhì)量的理論預(yù)言值的不確定性非常低。CDF實驗合作組非常謹慎。為了最大限度地減少人為偏見，該實驗是“雙盲”的，這意味著分析數(shù)據(jù)的物理學家在他們的工作完成之前，對實驗結(jié)果一無所知。阿舒托什·科特瓦爾說，當CDF在2020年11月向團隊成員透露W玻色子質(zhì)量的測量值時，“那是一個令人激動的時刻?！薄拔覀兠靼走@個數(shù)字的意義?！敝?，研究結(jié)果又經(jīng)過了幾輪同行評審。不過，科普作家丹尼爾·加里斯托（Daniel Garisto）認為這只是說明物理學家們得到了實驗測定的精確結(jié)果，而并不一定意味著他們發(fā)現(xiàn)了新的物理學。

新物理

近來，物理學家不再把重點放在完善粒子物理標準模型的細節(jié)上，而是更多地關(guān)注它的可能失敗之處——例如，它沒有將引力、暗物質(zhì)、中微子質(zhì)量或其它一些令人困惑的現(xiàn)象（包括暗物質(zhì)、暗能量等）納入其中。物理學家們認為，發(fā)現(xiàn)粒子物理標準模型與實驗觀測結(jié)果不符或偏離的地方，是尋找“新物理”的有效途徑。在CDF得出結(jié)果之前，突破標準模型最有希望的候選者包括費米實驗室μ子 g-2實驗和歐洲核子研究中心LHCb（大型強子對撞機）實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的偏離。

毫無疑問，CDF得到的這一異常結(jié)果值得重視，它將W玻色子的質(zhì)量測量提升到統(tǒng)計顯著性的高度：用統(tǒng)計學的說法，接近7個標準差。這里7個標準差意味著，如果沒有新的物理學影響到W玻色子的質(zhì)量，那么起碼與觀測到的誤差一樣大的誤差仍然會產(chǎn)生于實驗運行的8000億次當中，幾率非常之小。即使是在習慣了天文數(shù)字的實驗粒子物理學領(lǐng)域，這似乎也有點過于突兀：該領(lǐng)域統(tǒng)計意義的“黃金標準”閾值只有5個標準差，這相當于每350萬次運行中出現(xiàn)一次偶然的給定效應(yīng)。實在地說，7個標準偏差的與理論值不同的精確實測結(jié)果意味著CDF合作團隊所得到的結(jié)果并非偶然，更有待再獨立核實驗證和進一步深入研究。

要確定W質(zhì)量值異常的來源，還需要來自其它實驗的證實?！斑@是一個非常驚人的結(jié)果，”ATLAS的物理協(xié)調(diào)員歸尤姆·于納勒（Guillaume Unal，他沒有參與這項新研究）說：“這是一個非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的測量方法，以良好的準確性來真正檢驗粒子物理標準模型?！盇TLAS目前正在努力改進對W質(zhì)量的測量，于納勒表示，使用LHC第二次運行（于2018年結(jié)束）的數(shù)據(jù)，可能會使他們接近CDF的W質(zhì)量測量精度。

與此同時，理論家們將抓住這個新結(jié)果，提出無數(shù)種可能的解釋。盡管大型強子對撞機已經(jīng)排除了許多超對稱（SUSY）理論的可能性?！爱斎?，大型強子對撞機的限定變得越來越嚴格，”波蘭科學院尼古拉斯·哥白尼天文中心的理論物理學家馬尼馬拉·查克拉博爾蒂（Manimala Chakraborti）說， “但是，你仍然可以發(fā)現(xiàn) SUSY 所允許的參數(shù)空間?！?/p>

非超對稱標準模型擴展的一個例子是修改希格斯項——在希格斯項中加入一個附加標量場，該標量場沒有標準模型中的規(guī)范相互作用。這種模型預(yù)測的質(zhì)量偏移可能高達100MeV/c2，其偏移取決于附加標量粒子的質(zhì)量及與希格斯玻色子的相互作用。

諸如“暗光子”、弱相互作用中宇稱守恒的恢復(fù)、希格斯玻色子可能的復(fù)合性質(zhì)和希格斯玻色子相互作用的模型無關(guān)修正等也都是理論上可能的解釋。

注：北京時間4月9日早上5時，美國CDF國際合作組將召開W玻色子質(zhì)量測量實驗結(jié)果的新聞發(fā)布會，有意者可關(guān)注：

https://fnal.zoom.us/j/93590155647?pwd=RmNQK0R0bVZPWERUMVBOS3VlUEIxZz09

參考資料

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

2. https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/

3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0101

4.https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

5.https://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2018/feb/20/how-much-mass-does-the-w-boson-have

6.https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

7.https://www.sciencenews.org/article/w-boson-particle-mass-standard-model-physics

8.https://bigthink.com/starts-with-a-bang/hole-in-the-standard-model/

9. https://www.bbc.com/news/science-environment-60993523

10.?https://www.scientificamerican.com/article/elementary-particles-unexpected-heft-stuns-physicists/

直播預(yù)告：W質(zhì)量研討會

為促進中國高能物理同行與國際同行的學術(shù)交流，清華大學高能物理研究中心、清華大學物理系、南京師范大學物理與科學技術(shù)學院將于4月14日聯(lián)合主辦“W質(zhì)量研討會”。CDF合作組該物理分析負責人美國杜克大學教授Ashutosh V. Kotwal，美國匹茲堡大學教授韓濤，以及相關(guān)的理論和實驗學家們將參加研討會，對此結(jié)果展開充分的討論。

本次研討會將采取線上線下相結(jié)合的方式。兩個線下會場分別設(shè)在清華物理系鄭裕彤大講堂和南師物科院行健樓437會議室，清華大學高能物理研究中心主任王青教授和南京師范大學肖振軍教授主持研討會的理論和討論部分；CDF合作組成員、南京師范大學教授、清華大學訪問教授易凱將在鄭裕彤講堂主持研討會實驗部分。線上zoom會議室將屆時由《返樸》在微信視頻號同步直播。

會議時間：北京時間 2022年4月14日 8:00-12:00