2022年，大名鼎鼎的美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，搞了個(gè)大新聞！

不僅推翻自己2012年的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，還讓上世紀(jì)70年代就確立的標(biāo)準(zhǔn)模型搖搖欲墜？

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

今天Science的封面文章，合著的物理學(xué)家有近400位，他們將W玻色子的測(cè)量精度達(dá)到了前所未有的高度——0.01%。

最重要的是，這次測(cè)出來的質(zhì)量竟然比基本模型預(yù)測(cè)的要重了近0.1%。

而這看似微小的差異，帶來的很可能是一個(gè)全新的物理學(xué)。

精度x2，誤差僅為9.4MeV！

那么為什么這篇論文成了個(gè)大新聞呢？

通常來說，科學(xué)界會(huì)以電子伏特的能量單位來衡量亞原子粒子的質(zhì)量，即eV。就基本粒子而言，W玻色子，是一個(gè)相對(duì)重量級(jí)的粒子，甚至比鐵原子還要大。

在最新的測(cè)量中，W玻色子的中心值和不確定度為80433.5±9MeV/c2，而此前標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的W玻色子的質(zhì)量則為80,357MeV，整整差了7個(gè)σ。

作為曾經(jīng)世界上最強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)，坐落在芝加哥郊外的Tevatron，運(yùn)行時(shí)間超過了20年。

雖然在2011年的時(shí)候就已經(jīng)壽終正寢，但是這波對(duì)舊數(shù)據(jù)分析堪稱「驚喜」。

10年來，圍繞著CDF項(xiàng)目合作的400名科學(xué)家們，故意用加密技術(shù)隱藏了W玻色子的質(zhì)量，并專注于提升測(cè)量的精度。

2020年11月，當(dāng)其中的22位科學(xué)家聚在一起并通過電話會(huì)議公布了最新的成果：對(duì)重達(dá)5000噸的探測(cè)器所記錄的大約420萬個(gè)W玻色子的分析（是2012年時(shí)的4倍）。

這次揭幕是最后一步，也就是解密數(shù)據(jù)并計(jì)算出最終答案的時(shí)刻。

結(jié)果大家也都知道了——W玻色子比理論預(yù)測(cè)的要重得多。

據(jù)杜克大學(xué)的物理學(xué)教授Ashutosh Kotwal分析，這個(gè)結(jié)果只有不到10億分之一的概率會(huì)是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的僥幸。

在此之前，2012年測(cè)出的質(zhì)量為80387±19MeV，精確度為0.02%。

論文地址：

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這篇論文究竟在干什么，就繞不開對(duì)弱相互作用和W玻色子的討論。

眾所周知，在我們生存的宇宙里有四種基本相互作用（已發(fā)現(xiàn)的），分別是：引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

前兩種力大部分人在初高中就都知道了。它們是兩種長程力，作用強(qiáng)度隨距離增加而減少。后兩種力是短程力，它們的作用范圍很小，影響力隨距離的增加而急劇減少。

強(qiáng)相互作用，看過「三體」的讀者都不會(huì)陌生，正是這種力構(gòu)造了「水滴」。這種力能使夸克結(jié)合形成質(zhì)子、中子等復(fù)合粒子。

而我們今天的主角，是弱相互作用。它是四種力中，強(qiáng)度第二弱，作用距離第一短的短程力。這種力是導(dǎo)致原子核β衰變的原因（不知道什么是β衰變沒關(guān)系，這不重要）。

先問一個(gè)問題：這四種力都是通過什么方式進(jìn)行傳遞的呢？這個(gè)問題很關(guān)鍵，答案直接指向了Science論文的研究內(nèi)容。

我們知道，四種力都是由某種粒子傳遞的。這種粒子被稱為規(guī)范玻色子。進(jìn)一步細(xì)分的話，傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞強(qiáng)相互作用的是膠子。

那么傳遞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論文研究的就是W玻色子，這種粒子的質(zhì)量大約是一個(gè)質(zhì)子或是中子質(zhì)量的80多倍，帶正或負(fù)電荷，平均壽命約為3\times10^{-25}秒。

對(duì)于不了解情況的人來說，測(cè)量一個(gè)微小粒子的質(zhì)量可能看起來不是什么大事。

但這項(xiàng)工作不僅僅是對(duì)超精確的完美主義的癡迷，而且是對(duì)粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的壓力測(cè)試。

在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model，SM）是描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)基本粒子的理論，屬于量子場(chǎng)論的范疇，并與量子力學(xué)及狹義相對(duì)論相容。

在此之前，幾乎所有對(duì)以上三種力的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都合乎這套理論的預(yù)測(cè)。

全新的物理學(xué)框架？

2012年，在歐洲量子物理研究所，世界上最大的核粒子加速器LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）發(fā)現(xiàn)了一直以來只停留在猜想中的希格斯玻色子。

希格斯玻色子

新理論的誕生成功解釋了已知的所有粒子間的相互作用，但顯然還存在一些不足。比方說，沒能解釋引力是靠什么粒子傳播，以及暗物質(zhì)的問題，而后者構(gòu)成了宇宙85%的物質(zhì)。

雖然但是，科學(xué)家也算是知道了所有的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，現(xiàn)在總算可以檢驗(yàn)一下理論內(nèi)部究竟是不是自洽的了。

比方說，上文提到的W玻色子的質(zhì)量，就取決于希格斯玻色子和頂夸克（這是一種重量較大但壽命極短的亞原子粒子）。（注：希格斯玻色子和頂夸克與W玻色子之間的關(guān)系此處不細(xì)表）

有了這些理論，科學(xué)家再把測(cè)得的結(jié)果一輸入，就能預(yù)測(cè)W玻色子的質(zhì)量，然后看看和實(shí)際測(cè)得的質(zhì)量之間有沒有偏差。

一個(gè)W玻色子衰變?yōu)橐粋€(gè)正電子（品紅色塊，左下角）和一個(gè)中微子（黃色箭頭）

不過，實(shí)際的測(cè)量卻不是件容易的事。

W玻色子在高能粒子的碰撞中產(chǎn)生，之后迅速衰變，要不成為電子，要不成為μ介子（這是W玻色子的「兄弟」，質(zhì)量更大），要不成為反中微子（這是中微子的反粒子，中微子是輕子的一種，是組成自然界的基本粒子之一）。

這三種衰變的結(jié)果中，反中微子檢測(cè)不到，所以科學(xué)家必須減少反中微子的存在（具體減少的方式不細(xì)表）。

總之，通過衰變粒子的能量和動(dòng)能，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，科學(xué)家就可以估算出W玻色子的質(zhì)量。

這次，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（CDF）的傳回來的數(shù)據(jù)顯示，W玻色子的質(zhì)量為80433.5MeV。

這究竟是否意味著全新物理學(xué)的誕生？具體的還不好說，但肯定是個(gè)大新聞沒跑了。

與此同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了其它一些細(xì)微的反常，總之都指向了標(biāo)準(zhǔn)模型可能要「塌房」了。

比方說，μ介子的磁性好像比想象中要更強(qiáng)。

新結(jié)果甚至還把CDF 2012年自己的結(jié)果給推翻了。CDF的研究人員不信邪，又做了更多的分析，試圖解釋這種差異的成因。

最后在經(jīng)歷了多次試驗(yàn)后，一位研究人員終于表示，「我們用的辦法肯定沒錯(cuò)...差異這么大，只能說明自然界還有點(diǎn)什么新東西，原先的標(biāo)準(zhǔn)模型沒涵蓋?！?/p>

對(duì)此，美國的ScienceNews指出，「這可能會(huì)指向全新的物理學(xué)。」

知乎答主@王清揚(yáng)表示，如果W玻色子的質(zhì)量變了，也就意味著理論中的其他部分也很可能會(huì)出現(xiàn)問題，首當(dāng)其沖的是希格斯機(jī)制：

在標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中，W玻色子的質(zhì)量是希格斯機(jī)制給的。希格斯機(jī)制讓SU(2)×U(1)的電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺，產(chǎn)生戈德斯通玻色子，然后W玻色子吸收了戈德斯通作為自己的縱模，由此獲得了質(zhì)量。

當(dāng)然，也可能說明有其他的物理機(jī)制或者說未知的新粒子對(duì)W玻色子的質(zhì)量有貢獻(xiàn)，比如說超對(duì)稱。

其實(shí)出現(xiàn)了誤差，和想象中的沮喪不同，科學(xué)家普遍都是開心的。他們明白，這是有新東西要來了。

名為誤差、實(shí)為進(jìn)步。

蘇黎世大學(xué)的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家Florencia Canelli表示，「測(cè)量結(jié)果真讓人興奮。這肯定是我們領(lǐng)域內(nèi)的重大發(fā)現(xiàn)?！?/p>

如果結(jié)果確實(shí)是這樣，那就是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型首次出現(xiàn)大偏差，而這個(gè)模型自從1970年問世就一直沒什么大問題。

標(biāo)準(zhǔn)模型不夠完整，這是肯定的。但是任何一點(diǎn)點(diǎn)可能導(dǎo)致它「塌房」的因素，都有可能指向了另一個(gè)全新的替代模型，指向了新的粒子。

Ashutosh Kotwal表示，「我們都有這種感覺，這次測(cè)量結(jié)果，就是大自然在用這種方式向我們傳達(dá)信息，告訴我們還有什么是大自然留給我們，但我們還不知道的。」Kotwal是杜克大學(xué)的一名實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家，他領(lǐng)導(dǎo)了CDF的此項(xiàng)研究。

物理學(xué)的美可能就在這里了：細(xì)微之處見真章，毫厘之優(yōu)定乾坤?？纯催@次，這么個(gè)小粒子質(zhì)量差這么一點(diǎn)，背后的含義卻是劃時(shí)代的。

物理學(xué)到底還有多少奧秘等待科學(xué)家的挖掘，這永遠(yuǎn)會(huì)是個(gè)未知的難題。理論物理學(xué)家Sven Heinemeyer表示，「這些粒子還可能幫助科學(xué)家解決另一個(gè)物理學(xué)之謎——μ介子的磁場(chǎng)波動(dòng)。」

不管怎么說，無論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了什么，這都是對(duì)這一關(guān)鍵粒子的全新認(rèn)識(shí)。

讓我們一起期待科學(xué)家們進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究吧。

參考資料：

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

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