挑戰標準模型？最新W玻色子質量測量值高出理論7個標準差_風聞

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佈的Tevatron質子-反質子對撞機CDF實驗組對W玻色子質量的最新測量結果。文章稱，在前所未有的實驗精度下，W玻色子質量為80433.5 ±9.4 MeV/c^2，比理論預言值80357 ±6 MeV/c^2高出7個標準差。那麼，這一結果是否挑戰了現有的粒子物理標準模型，預示着將出現新物理？

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）國際合作組發佈了W玻色子質量測量迄今為止最精確的結果，比粒子物理標準模型的理論預言值高了7個標準差。該實驗結果作為封面文章發表在4月7日的《科學（Science）》雜誌上。

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成了原子核，電磁力將原子核和電子結合在一起構成了原子和分子，那弱力有什麼作用呢？事實上，弱力是至關重要的，尤其是對像太陽這樣的大質量天體而言。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。這意味着質子可以通過發射帶正電的 W+ 玻色子而轉變為中子（W+ 是W− 的反粒子）；四個氫核（即質子）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，從而維持太陽內部的燃燒。

W玻色子於1980年代在歐洲核子研究中心（CERN – 法語：Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire）的超級質子-反質子同步加速器中被發現。它的質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 質子-反質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 玻色子的質量也源於Brout-Englert-Higgs機制，是粒子物理學標準模型的一個關鍵參數。正是對W玻色子質量的粗略測量，使得物理學家在1990年以合理的精度預測了頂夸克的質量。而後，利用W玻色子質量和頂夸克質量，研究人員對希格斯玻色子的質量做了類似的預測，並於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置安裝。CDF 進行了W玻色子質量的精確測量實驗，W玻色子的質量是粒子物理標準模型的關鍵參數。丨圖源：科學史圖片/Alamy Stock Photo

在粒子物理學中，數據往往會比生成數據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並被關閉，其部件被拆解用於其它實驗。現在，對舊 CDF 數據的新分析發現了 W 玻色子質量的驚人差異。由於W玻色子的衰變模式在實驗上的探測困難，其質量測量精度一直停留在幾十個MeV/c^2量級，最好的單個實驗的精度也在二十個MeV/c^2左右。這與W玻色子的姊妹粒子——Z玻色子的質量測量精度（2 MeV/c^2）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）期間收集的所有數據，對W玻色子的質量進行了目前為止最為精確的測量和評估，誤差（包括統計誤差和系統誤差）首次降至個位數——9 MeV/c^2（圖2）。這一結果的精度達到了0.01%，超越了之前任何一個相關實驗的精度，也超越了之前所有相關實驗結果的加權綜合精度，因此樹立了用W玻色子質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玻色子質量比粒子物理標準模型的理論預言值高了7個標準差（包括實驗和理論誤差）。

物理學家很早便知道 W 玻色子的近似質量，大約是質子質量的80倍左右——8萬MeV/c^2。粒子物理標準模型預計W玻色子質量應為80357+/-6 MeV/c^2。CDF合作組的最新結果顯示其質量測量值為80433+/-9 MeV/c2，新的測量值比之前所有測量值都更精確，比標準模型的預測高出近 77 MeV/c^2。儘管這些數字的差異只有千分之一左右，但每個數字的不確定性都非常小，以至於即使是這種微小的差異也具有巨大的統計意義——這不太可能是純粹偶然產生的。

圖2. 圖中展示了不同的實驗組對W玻色子質量的測量結果和精度。灰色豎條代表粒子物理標準模型理論值及其誤差範圍（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範圍。可以明顯看出，之前相關測量結果的誤差範圍都比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度所中和。儘管費米實驗室CDF II的結果是迄今為止對 W 玻色子質量最為精確的測量，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果不一致（參見和比較圖2中最下面的三個實驗結果：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）説，他沒有參與費米實驗室的這項新研究，但在《科學》雜誌上共同撰寫了一篇相關評論。“這非常出乎意料……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。”

“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）教授説。

“我們需要知道到底發生了什麼。我們還有另外兩個實驗與標準模型一致並且與這個實驗的結果很不一致，這讓我感到疑惑。”

挖掘數據

要測量W玻色子的質量，必須要有一個粒子對撞機。Tevatron 運行於1983 年到 2011 年，是一個長達6.3公里的環形裝置，質子以高達 2 TeV的能量撞擊反質子，這一能量大約是 W 玻色子質量的 25 倍。處於環路上的CDF探測器從2002年開始運行直到Tevatron關閉，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物——主要是電子和μ子——來推斷它的存在和性質。仔細計算後，CDF合作團隊發現實驗數據中約有400萬個事件可以歸因於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，即其質量。

該研究的通訊作者、CDF的發言人阿舒託什·科特瓦爾（Ashutosh Kotwal）説，由於數據存在諸多不確定性，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 玻色子質量的最佳單次實驗測量精度的兩倍——CDF 團隊將他們的數據集增加了四倍。其中包括對質子和反質子碰撞進行建模，並對已經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據展示到微米量級來排除對實驗數據的影響。

實驗可信度

細微異常比比皆是，不過絕大多數只是由實驗產生和記錄的大量事件所引起的統計上的數據漲落。在這種情況下，當收集到更多的數據時，這些隨機異常現象就會消失。不過，這一最新的W玻色子質量值的異常現象似乎並不是統計上的漲落，因為關於其測量已有大量高質量的數據，而且對該質量的理論預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，這意味着分析數據的物理學家在他們的工作完成之前，對實驗結果一無所知。阿舒託什·科特瓦爾説，當CDF在2020年11月向團隊成員透露W玻色子質量的測量值時，“那是一個令人激動的時刻。”“我們明白這個數字的意義。”之後，研究結果又經過了幾輪同行評審。不過，科普作家丹尼爾·加里斯托（Daniel Garisto）認為這只是説明物理學家們得到了實驗測定的精確結果，而並不一定意味着他們發現了新的物理學。

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上，而是更多地關注它的可能失敗之處——例如，它沒有將引力、暗物質、中微子質量或其它一些令人困惑的現象（包括暗物質、暗能量等）納入其中。物理學家們認為，發現粒子物理標準模型與實驗觀測結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）實驗結果中發現的偏離。

毫無疑問，CDF得到的這一異常結果值得重視，它將W玻色子的質量測量提升到統計顯著性的高度：用統計學的説法，接近7個標準差。這裏7個標準差意味着，如果沒有新的物理學影響到W玻色子的質量，那麼起碼與觀測到的誤差一樣大的誤差仍然會產生於實驗運行的8000億次當中，幾率非常之小。即使是在習慣了天文數字的實驗粒子物理學領域，這似乎也有點過於突兀：該領域統計意義的“黃金標準”閾值只有5個標準差，這相當於每350萬次運行中出現一次偶然的給定效應。實在地説，7個標準偏差的與理論值不同的精確實測結果意味着CDF合作團隊所得到的結果並非偶然，更有待再獨立核實驗證和進一步深入研究。

要確定W質量值異常的來源，還需要來自其它實驗的證實。“這是一個非常驚人的結果，”ATLAS的物理協調員歸尤姆·於納勒（Guillaume Unal，他沒有參與這項新研究）説：“這是一個非常複雜和具有挑戰性的測量方法，以良好的準確性來真正檢驗粒子物理標準模型。”ATLAS目前正在努力改進對W質量的測量，於納勒表示，使用LHC第二次運行（於2018年結束）的數據，可能會使他們接近CDF的W質量測量精度。

與此同時，理論家們將抓住這個新結果，提出無數種可能的解釋。儘管大型強子對撞機已經排除了許多超對稱（SUSY）理論的可能性。“當然，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）説， “但是，你仍然可以發現 SUSY 所允許的參數空間。”

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範相互作用。這種模型預測的質量偏移可能高達100MeV/c2，其偏移取決於附加標量粒子的質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恆的恢復、希格斯玻色子可能的複合性質和希格斯玻色子相互作用的模型無關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玻色子質量測量實驗結果的新聞發佈會，有意者可關注：

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/

直播預告：W質量研討會

為促進中國高能物理同行與國際同行的學術交流，清華大學高能物理研究中心、清華大學物理系、南京師範大學物理與科學技術學院將於4月14日聯合主辦“W質量研討會”。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，以及相關的理論和實驗學家們將參加研討會，對此結果展開充分的討論。

本次研討會將採取線上線下相結合的方式。兩個線下會場分別設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範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、南京師範大學教授、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

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