W玻色子質(zhì)量實(shí)現(xiàn)最精確測(cè)量，或?qū)ⅰ按蚱啤睒?biāo)準(zhǔn)模型？

近日，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)探測(cè)器(CDF)國(guó)際合作組的389位科學(xué)家共同完成了對(duì)W玻色子質(zhì)量的最精確測(cè)量，測(cè)量結(jié)果比粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期值偏高7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，或指向新物理學(xué)領(lǐng)域。

圖片來(lái)自《科學(xué)》(Science)

前述研究成果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)封面。如果這一結(jié)果得到最終確認(rèn)，將預(yù)示著物理學(xué)的最基本理論之一“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型”理論需要被修改或擴(kuò)展。

“粒子物理學(xué)研究的是我們的世界由哪些最基本的物質(zhì)構(gòu)成，并且如何構(gòu)成的。”南京師范大學(xué)教授兼清華大學(xué)訪問(wèn)教授易凱向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者說(shuō)道。

易凱現(xiàn)為CDF、CMS（歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的緊湊繆子螺線管實(shí)驗(yàn)）、日本Belle II國(guó)際合作組成員，也是清華-南師CMS組負(fù)責(zé)人，長(zhǎng)期從事粒子物理、強(qiáng)子物理及尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理現(xiàn)象等。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，圖片來(lái)自Quanta Magazine

“這張‘圓盤’就是標(biāo)準(zhǔn)模型，上面每一個(gè)字母都表示一種粒子，并且這些粒子都是基本粒子，即內(nèi)部沒(méi)有結(jié)構(gòu)、無(wú)法分割的粒子。”易凱表示“圓盤”最外圈上方為六種夸克，下方為六種輕子，輕子包括人們所熟知的電子、μ介子、τ介子和它們相對(duì)應(yīng)的中微子。“夸克和輕子構(gòu)成了我們的物質(zhì)世界，例如，常見(jiàn)的質(zhì)子和中子由兩種不同類型的三個(gè)夸克構(gòu)成。其中，中微子與其他物質(zhì)之間的相互作用非常小，可以穿透物質(zhì)。”

中間一圈的四種基本粒子分別為光子、膠子、W玻色子、Z玻色子。“它們是傳遞相互作用的粒子。其中，光子是傳遞電磁相互作用的粒子，它是沒(méi)有質(zhì)量的。膠子負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用。而傳遞弱相互作用的粒子就是W玻色子和Z玻色子，這兩種粒子是很重的。”易凱說(shuō)道。

“圓盤最中心的是希格斯玻色子，也被稱做“上帝粒子”，2012年在CMS和ATLAS（即歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的實(shí)驗(yàn)）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)的。希格斯玻色子賦予了其他基本粒子的質(zhì)量。而這些粒子之間是如何相互作用的，就解釋了世界的構(gòu)成，并形成了一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就是‘標(biāo)準(zhǔn)模型’。”易凱表示W(wǎng)玻色子的質(zhì)量可以從這一系統(tǒng)中推算出來(lái)。

多年來(lái)，科學(xué)家一直在通過(guò)各種方式檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型是否正確，嘗試找到新的突破。W玻色子的質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)其數(shù)值的精確測(cè)量一直是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型和探測(cè)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象的重要手段之一。

由于W玻色子的衰變模式在實(shí)驗(yàn)上重建的困難，其測(cè)量精度（誤差）一直在幾十個(gè)MeV（兆電子伏特）量級(jí)，此前最佳的單個(gè)實(shí)驗(yàn)精度也在二十個(gè)MeV左右。這與W玻色子的“姐妹”粒子——Z玻色子的質(zhì)量精度2MeV形成了極大的反差。實(shí)驗(yàn)粒子物理工作者為此進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力。MeV是粒子物理上使用的一種質(zhì)量單位，以質(zhì)子為例，質(zhì)子大約為938MeV。

但此前對(duì)W玻色子質(zhì)量的多項(xiàng)測(cè)量基本都符合標(biāo)準(zhǔn)模型理論。“這有可能是因?yàn)橹暗臏y(cè)量精度不夠，這一次CDF合作組對(duì)W玻色子質(zhì)量的測(cè)量精度很高，達(dá)到了0.01%。”易凱說(shuō)道。

費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的對(duì)撞機(jī)探測(cè)器(CDF)，圖片來(lái)自費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

據(jù)了解，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron曾為世界上最大的對(duì)撞機(jī)，在Tevatron里，質(zhì)子和反質(zhì)子被加速到它們的靜止質(zhì)量的1000倍，然后發(fā)生碰撞，從而大量產(chǎn)生W玻色子。CDF是Tevatron上的一個(gè)通用型粒子探測(cè)器，粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家們通過(guò)研究CDF探測(cè)到的W玻色子衰變產(chǎn)生的帶電輕子和其他產(chǎn)物的信息來(lái)測(cè)量W玻色子的質(zhì)量。

CDF合作組經(jīng)過(guò)十年的時(shí)間對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了非常細(xì)致的校準(zhǔn)和分析，利用CDF二期運(yùn)行期間收集的所有數(shù)據(jù)，對(duì)W玻色子的質(zhì)量進(jìn)行了目前世界上最為精確的測(cè)量，首次將誤差（包括統(tǒng)計(jì)誤差和系統(tǒng)誤差）降低至個(gè)位數(shù)，即9MeV。在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，預(yù)期的W玻色子質(zhì)量應(yīng)為80357+/-6MeV。而此次測(cè)量結(jié)果顯示其質(zhì)量測(cè)量值為80434+/-9MeV，超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期值。

W玻色子質(zhì)量的各實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)測(cè)范圍，圖片來(lái)自Science論文

前述研究實(shí)現(xiàn)了0.01%的檢測(cè)精度，超越了此前所有單個(gè)實(shí)驗(yàn)的精度，也超越了此前所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的加權(quán)綜合精度，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)達(dá)到了一個(gè)新的里程碑。在這一精度下，CDF合作組所測(cè)量的W玻色子質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算值高了七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（包括實(shí)驗(yàn)和理論誤差），挑戰(zhàn)目前的標(biāo)準(zhǔn)模型。這意味著在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言是正確的情況下，CDF實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性僅為大概10的負(fù)十二次方。

“如果這一結(jié)果是正確的，就預(yù)示著我們的標(biāo)準(zhǔn)模型并不完美。”易凱解釋道，“這存在兩種可能，一種可能性是我們需要去修正標(biāo)準(zhǔn)模型中的計(jì)算，完善這一系統(tǒng)。另一種可能性是標(biāo)準(zhǔn)模型需要擴(kuò)展，比如這個(gè)模型還有未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子或者未被發(fā)現(xiàn)的基本作用力。而這些都指向新的物理現(xiàn)象。”

來(lái)自歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)ATLAS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目物理學(xué)家Guillaume Unal則表示“希望看到另一項(xiàng)獨(dú)立的測(cè)量來(lái)證實(shí)CDF合作組的測(cè)量結(jié)果。”

對(duì)此，南京師范大學(xué)、清華大學(xué)、中科院高能物理研究所、北京大學(xué)聯(lián)合發(fā)起并主辦了4月14日的“W質(zhì)量研討會(huì)”。除CDF實(shí)驗(yàn)之外，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的多個(gè)實(shí)驗(yàn)、美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的D0實(shí)驗(yàn)都做過(guò)W玻色子的質(zhì)量測(cè)量和其他性質(zhì)研究。各實(shí)驗(yàn)的參會(huì)者共同探討了W玻色子研究的現(xiàn)狀和未來(lái)。

“W質(zhì)量研討會(huì)”線上線下參會(huì)者在清華物理系講堂合影

目前，ATLAS和LHCb（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上底夸克探測(cè)器實(shí)驗(yàn)）的合作組成員已在改進(jìn)對(duì)W玻色子質(zhì)量的分析。歐洲核子研究中心的另一實(shí)驗(yàn)CMS也可以測(cè)量W粒子的質(zhì)量大小。

“CDF這項(xiàng)結(jié)果目前只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，尚需別的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外它與目前世界上第二精確的測(cè)量即ATLAS實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果也不一致。”易凱表示CMS合作組現(xiàn)在測(cè)量帶電粒子都是全部使用硅探測(cè)器，分辨率會(huì)比CDF合作組當(dāng)年的更好。

而談及在CDF合作組的經(jīng)歷，易凱表示從探測(cè)器的建造、電子設(shè)備的調(diào)控到控制室數(shù)據(jù)的獲取、校準(zhǔn)、重建，以及進(jìn)行物理分析得到最終結(jié)果，這一過(guò)程是漫長(zhǎng)而艱辛的，需要合作組的協(xié)作。比如易凱就曾兩次作為硅探測(cè)器值班專家獲取數(shù)據(jù)，一次在2001年，歷時(shí)三個(gè)多月，另一次在2009年到2010年，歷時(shí)一年多。“CDF合作組最鼎盛時(shí)期有700多位成員，后來(lái)名單就固定在400位左右。”Tevatron在2011年停止運(yùn)行之后，CDF合作組中Ashutosh Kotwal領(lǐng)導(dǎo)的小組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更細(xì)致地校準(zhǔn)和更深入地分析，并經(jīng)過(guò)合作組內(nèi)部嚴(yán)謹(jǐn)審核，耗時(shí)十多年最終將論文發(fā)表出來(lái)。

未來(lái)，更多國(guó)際合作組的測(cè)量將驗(yàn)證CDF合作組的結(jié)果，并將進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)壳暗臉?biāo)準(zhǔn)模型。

關(guān)鍵詞： 標(biāo)準(zhǔn)模型 精確測(cè)量