對(duì)W玻色子的新分析表明，這些粒子比粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要重得多。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)名為W玻色子的基本粒子似乎太重了0.1%——這個(gè)微小的差異可能預(yù)示著基礎(chǔ)物理學(xué)的巨大變化。

4月7日，該測(cè)量結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，來自伊利諾伊州巴達(dá)維亞費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的老式粒子對(duì)撞機(jī)，十年前粉碎了其最后的質(zhì)子。Fermilab（CDF）合作的對(duì)撞機(jī)探測(cè)器的大約400名成員繼續(xù)分析對(duì)撞機(jī)Tevatron產(chǎn)生的W玻色子，追逐無數(shù)的誤差源，以達(dá)到無與倫比的精度水平。

如果W相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)測(cè)的過剩重量可以獨(dú)立確認(rèn)，該發(fā)現(xiàn)將意味著存在未發(fā)現(xiàn)的粒子或力，并將導(dǎo)致半個(gè)世紀(jì)以來量子物理學(xué)定律的首次重大改寫。

馬德里理論物理研究所的物理學(xué)家Sven Heinemeyer表示：“這將是我們看待世界方式的徹底改變”，甚至可能與2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子相媲美。

這一發(fā)現(xiàn)正值物理界渴望粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，粒子物理學(xué)是捕獲所有已知粒子和力的長期統(tǒng)治方程組。眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的，留下了各種宏偉的未解謎團(tuán)，例如暗物質(zhì)的本質(zhì)。CDF合作的良好記錄使其新結(jié)果對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成可信的威脅。

單獨(dú)進(jìn)行的新W玻色子質(zhì)量測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)截然不同。

例如，2017年，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的ATLAS實(shí)驗(yàn)測(cè)量了W粒子的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它只是比標(biāo)準(zhǔn)模型所說重一點(diǎn)點(diǎn)。CDF和ATLAS之間的沖突表明，一個(gè)或兩個(gè)群體都忽略了他們實(shí)驗(yàn)中的一些微妙。

弱玻色子

W玻色子與Z玻色子一起介導(dǎo)弱力，弱力是宇宙的四種基本力之一。與重力、電磁和強(qiáng)力不同，弱力與其說是推或拉，不如說是將較重的粒子轉(zhuǎn)化為較輕的粒子。例如，μ子自發(fā)衰變?yōu)閃玻色子和中微子，然后W成為電子和另一個(gè)中微子。相關(guān)的亞原子形狀轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致放射性，并有助于保持陽光照射。

在過去的40年里，各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量了W和Z玻色子的質(zhì)量。事實(shí)證明，W玻色子的質(zhì)量是一個(gè)特別誘人的目標(biāo)。雖然其它粒子質(zhì)量必須簡單地測(cè)量并接受為自然事實(shí)，但W玻色子質(zhì)量可以通過在標(biāo)準(zhǔn)模型方程中結(jié)合其他一些可測(cè)量的量子屬性來預(yù)測(cè)。

幾十年來，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和其他地方的實(shí)驗(yàn)人員一直在利用圍繞W玻色子的連接網(wǎng)絡(luò)來試圖檢測(cè)其它粒子。一旦研究人員準(zhǔn)確測(cè)量了影響W粒子質(zhì)量最深的術(shù)語——例如電磁力的強(qiáng)度和Z玻色子的質(zhì)量——他們就可以開始感覺到拉動(dòng)其質(zhì)量的較小影響。

這種方法讓物理學(xué)家在20世紀(jì)90年代預(yù)測(cè)一種叫做頂夸克的粒子的質(zhì)量，該粒子推動(dòng)了W玻色子的質(zhì)量，就在1995年最高夸克發(fā)現(xiàn)之前。他們?cè)?1世紀(jì)初重復(fù)了這一壯舉，在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之前預(yù)測(cè)其質(zhì)量。

但是，盡管理論物理學(xué)家們有各種理由期望最高夸克和希格斯的存在，并通過標(biāo)準(zhǔn)模型的方程與W玻色子相連，但今天該理論顯然沒有缺失的部分。W玻色子質(zhì)量的任何剩余差異都將指向未知。

W玻色子

CDF的新質(zhì)量測(cè)量基于對(duì)2002年至2011年期間Tevatron生產(chǎn)的約400萬瓦玻色子的分析。當(dāng)Tevatron將質(zhì)子撞擊成反質(zhì)子時(shí)，隨后的騷動(dòng)中經(jīng)常彈出W玻色子。然后，W可以衰變成中微子和μ子或電子，兩者都可以直接檢測(cè)。μ子或電子的速度越快，產(chǎn)生它的W玻色子就越重。

Ashutosh Kotwal是杜克大學(xué)的物理學(xué)家，也是CDF合作最近分析的推動(dòng)力，他的職業(yè)生涯致力于完善該計(jì)劃。W玻色子實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)圓柱形室，里面裝滿了30,000根高壓電線，當(dāng)μ子或電子飛過它們時(shí)，這些電線會(huì)發(fā)生反應(yīng)，使CDF研究人員能夠推斷粒子的路徑和速度。了解每根電線的確切位置對(duì)于獲得準(zhǔn)確的軌跡至關(guān)重要。在新的分析中，Kotwal和他的同事利用了從天而降的μ子作為宇宙射線。這些子彈狀顆粒不斷以幾乎完美的直線撕裂探測(cè)器，讓研究人員檢測(cè)到任何搖搖晃晃的電線，并將電線的位置固定在1微米以內(nèi)。

他們還花了幾年時(shí)間在數(shù)據(jù)發(fā)布之間進(jìn)行詳盡的交叉檢查，以獨(dú)立的方式重復(fù)測(cè)量，以建立信心，了解Tevatron的每個(gè)特質(zhì)。一直以來，W玻色子測(cè)量堆積得越來越快。CDF的最后一次分析，是2012年發(fā)布涵蓋了Tevatron頭五年的數(shù)據(jù)。在接下來的四年里，數(shù)據(jù)翻了兩番。

在2020年11月的Zoom會(huì)議上，Kotwal按下按鈕解密了團(tuán)隊(duì)的結(jié)果（他們處理了加密數(shù)據(jù)，以便數(shù)字不會(huì)影響他們的分析）。

物理學(xué)家們吸收了答案，沉默消失了。他們發(fā)現(xiàn)W玻色子重8043億電子伏特（MeV），給予或接受9 MeV。這使得它比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要重76 MeV，差異大約是測(cè)量或預(yù)測(cè)誤差幅度的七倍。

這種“七西格瑪”差異高于物理學(xué)家通常必須清除才能最終發(fā)現(xiàn)的五西格瑪水平。

Fermilab的理論物理學(xué)家Chris Quigg沒有參與這項(xiàng)研究，他表示：“這不是一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，而是一種挑釁”?！艾F(xiàn)在有理由接受這個(gè)異常值”。

實(shí)驗(yàn)沖突

理論家們不禁思考超大的W玻色子可能意味著什么。

當(dāng)μ子在衰變成電子時(shí)短暫發(fā)射W玻色子時(shí)，該中間W玻色子可以與其它粒子相互作用，甚至是未被發(fā)現(xiàn)的粒子。正是這種與未知的兄弟情誼可能會(huì)扭曲W玻色子的質(zhì)量。

重W玻色子可能是由于第二個(gè)希格斯玻色子，可能是由于介導(dǎo)弱力變體的新的大質(zhì)量玻色子，或者由多個(gè)粒子組成的“復(fù)合”希格斯，并配有一種新的力將它們結(jié)合在一起。

一些理論物理學(xué)家懷疑由一個(gè)長期研究的被稱為超對(duì)稱的理論預(yù)測(cè)的粒子。該框架將物質(zhì)粒子和攜帶力的粒子聯(lián)系起來，為每個(gè)已知粒子假設(shè)一個(gè)未發(fā)現(xiàn)的相反類型的伙伴。在“超級(jí)合作伙伴”未能在LHC實(shí)現(xiàn)后，超級(jí)對(duì)稱性不再流行，但一些理論物理學(xué)家仍然認(rèn)為這是真的。

Heinemeyer和合作者最近計(jì)算出，某些超對(duì)稱粒子可以解決另一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)模型的推定差異，即muon g-2異常。這樣做，粒子還會(huì)稍微推動(dòng)W玻色子的質(zhì)量，盡管需要更多的新人來匹配CDF的測(cè)量值。

實(shí)驗(yàn)家在磨練精確測(cè)量方面的辛勤工作使研究人員更加樂觀地認(rèn)為，期待已久的突破即將到來。

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