挑战标准模型？最新W玻色子质量测量值高出理论7个标准差

2022-04-11 08:54:47 来源：科普中国

北京时间4月8日凌晨，《Science》封面文章报道了美国费米国家加速器实验室公布的Tevatron质子-反质子对撞机CDF实验组对W玻色子质量的最新测量结果。文章称，在前所未有的实验精度下，W玻色子质量为80433.5 ±9.4 MeV/c^2，比理论预言值80357 ±6 MeV/c^2高出7个标准差。那么，这一结果是否挑战了现有的粒子物理标准模型，预示着将出现新物理？

编译 | 刘航

审校 | 任愚、费进

北京时间2022年4月8日2时，美国CDF（Collider Detector at Fermilab，费米实验室的对撞机探测器）国际合作组发布了W玻色子质量测量迄今为止最精确的结果，比粒子物理标准模型的理论预言值高了7个标准差。该实验结果作为封面文章发表在4月7日的《科学（Science）》杂志上。

粒子物理标准模型是迄今最为成功的基本粒子理论，其描述了组成物质的所有已知基本粒子及它们之间的强力、弱力和电磁力三种基本相互作用。强力将夸克和核子等束缚在一起构成了原子核，电磁力将原子核和电子结合在一起构成了原子和分子，那弱力有什么作用呢？事实上，弱力是至关重要的，尤其是对像太阳这样的大质量天体而言。弱力的载体是 W 和 Z 玻色子，与电中性的Z玻色子不同的是，W 玻色子带有电荷。这意味着质子可以通过发射带正电的 W+ 玻色子而转变为中子（W+ 是W− 的反粒子）；四个氢核（即质子）可以挤压融合在一起最终形成氦核。在这个氢核聚变可释放大量能量，从而维持太阳内部的燃烧。

W玻色子于1980年代在欧洲核子研究中心（CERN – 法语：Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire）的超级质子-反质子同步加速器中被发现。它的质量在大型电子正电子对撞机（LEP，LEPII，也在欧洲核子研究中心）、费米实验室的 Tevatron 质子-反质子对撞机及大型强子对撞机（LHC）的探测器 ATLAS 上都进行了测量。与粒子物理学标准模型中的其它基本粒子一样，W 玻色子的质量也源于Brout-Englert-Higgs机制，是粒子物理学标准模型的一个关键参数。正是对W玻色子质量的粗略测量，使得物理学家在1990年以合理的精度预测了顶夸克的质量。而后，利用W玻色子质量和顶夸克质量，研究人员对希格斯玻色子的质量做了类似的预测，并于2012年在CERN得到了实验证实。

图1. 费米实验室的对撞机探测器 (CDF)，其在Tevatron 粒子加速器上进行了重新设置安装。CDF 进行了W玻色子质量的精确测量实验，W玻色子的质量是粒子物理标准模型的关键参数。丨图源：科学史图片/Alamy Stock Photo

在粒子物理学中，数据往往会比生成数据的探测器存留更长的时间。十年前，费米实验室重达 4100 吨的CDF探测器达到其使用期限并被关闭，其部件被拆解用于其它实验。现在，对旧 CDF 数据的新分析发现了 W 玻色子质量的惊人差异。由于W玻色子的衰变模式在实验上的探测困难，其质量测量精度一直停留在几十个MeV/c^2量级，最好的单个实验的精度也在二十个MeV/c^2左右。这与W玻色子的姊妹粒子——Z玻色子的质量测量精度（2 MeV/c^2）反差极大。实验粒子物理学家为了提高测量精度付出了长期的不懈努力。

此次，CDF实验合作组利用其二期运行（Run II）期间收集的所有数据，对W玻色子的质量进行了目前为止最为精确的测量和评估，误差（包括统计误差和系统误差）首次降至个位数——9 MeV/c^2（图2）。这一结果的精度达到了0.01%，超越了之前任何一个相关实验的精度，也超越了之前所有相关实验结果的加权综合精度，因此树立了用W玻色子质量的精确测量对标准模型进行检验的一个新的里程碑。在这样的测量精度下，CDF实验合作组得到的W玻色子质量比粒子物理标准模型的理论预言值高了7个标准差（包括实验和理论误差）。

物理学家很早便知道 W 玻色子的近似质量，大约是质子质量的80倍左右——8万MeV/c^2。粒子物理标准模型预计W玻色子质量应为80357+/-6 MeV/c^2。CDF合作组的最新结果显示其质量测量值为80433+/-9 MeV/c2，新的测量值比之前所有测量值都更精确，比标准模型的预测高出近 77 MeV/c^2。尽管这些数字的差异只有千分之一左右，但每个数字的不确定性都非常小，以至于即使是这种微小的差异也具有巨大的统计意义——这不太可能是纯粹偶然产生的。

图2. 图中展示了不同的实验组对W玻色子质量的测量结果和精度。灰色竖条代表粒子物理标准模型理论值及其误差范围（竖条宽度），红球和红线代表了各个实验组的测量平均值及误差范围。可以明显看出，之前相关测量结果的误差范围都比CDF II的大。丨图源：参考资料1

但是，粒子物理学界的兴奋情绪被一种审慎态度所中和。尽管费米实验室CDF II的结果是迄今为止对 W 玻色子质量最为精确的测量，但它与先前另外两个独立的、接近符合粒子物理标准模型的实验的测量结果不一致（参见和比较图2中最下面的三个实验结果：D0II, ATLAS,CDF II）。

“这不是我们期待的差异，”欧洲核子研究中心的实验物理学家马泰因·穆尔德斯（Martijn Mulders）说，他没有参与费米实验室的这项新研究，但在《科学》杂志上共同撰写了一篇相关评论。“这非常出乎意料……因为突然间他们锯掉了支撑整个粒子物理学框架的一根支柱。”

“这会惹恼一些人”，剑桥大学的理论物理学家本·阿拉纳赫（Ben Allanach）教授说。

“我们需要知道到底发生了什么。我们还有另外两个实验与标准模型一致并且与这个实验的结果很不一致，这让我感到疑惑。”

挖掘数据

要测量W玻色子的质量，必须要有一个粒子对撞机。Tevatron 运行于1983 年到 2011 年，是一个长达6.3公里的环形装置，质子以高达 2 TeV的能量撞击反质子，这一能量大约是 W 玻色子质量的 25 倍。处于环路上的CDF探测器从2002年开始运行直到Tevatron关闭，在这些碰撞中寻找W玻色子的迹象。

人们不能直接观测到W玻色子，它衰变成其它粒子的速度太快，任何探测器都无法直接捕捉到它。物理学家是通过研究其衰变产物——主要是电子和μ子——来推断它的存在和性质。仔细计算后，CDF合作团队发现实验数据中约有400万个事件可以归因于W玻色子衰变。通过测量这些事件中的电子和μ子的能量，物理学家们反推出W玻色子最初有多少能量，即其质量。

该研究的通讯作者、CDF的发言人阿舒托什·科特瓦尔（Ashutosh Kotwal）说，由于数据存在诸多不确定性，这项工作花了十年时间才完成。为了达到其前所未有的精度水平——是先前由 ATLAS 合作进行的 W 玻色子质量的最佳单次实验测量精度的两倍——CDF 团队将他们的数据集增加了四倍。其中包括对质子和反质子碰撞进行建模，并对已经退役探测器的运行进行新的、更彻底的检查——甚至用以往宇宙射线数据展示到微米量级来排除对实验数据的影响。

实验可信度

细微异常比比皆是，不过绝大多数只是由实验产生和记录的大量事件所引起的统计上的数据涨落。在这种情况下，当收集到更多的数据时，这些随机异常现象就会消失。不过，这一最新的W玻色子质量值的异常现象似乎并不是统计上的涨落，因为关于其测量已有大量高质量的数据，而且对该质量的理论预言值的不确定性非常低。CDF实验合作组非常谨慎。为了最大限度地减少人为偏见，该实验是“双盲”的，这意味着分析数据的物理学家在他们的工作完成之前，对实验结果一无所知。阿舒托什·科特瓦尔说，当CDF在2020年11月向团队成员透露W玻色子质量的测量值时，“那是一个令人激动的时刻。”“我们明白这个数字的意义。”之后，研究结果又经过了几轮同行评审。不过，科普作家丹尼尔·加里斯托（Daniel Garisto）认为这只是说明物理学家们得到了实验测定的精确结果，而并不一定意味着他们发现了新的物理学。

新物理

近来，物理学家不再把重点放在完善粒子物理标准模型的细节上，而是更多地关注它的可能失败之处——例如，它没有将引力、暗物质、中微子质量或其它一些令人困惑的现象（包括暗物质、暗能量等）纳入其中。物理学家们认为，发现粒子物理标准模型与实验观测结果不符或偏离的地方，是寻找“新物理”的有效途径。在CDF得出结果之前，突破标准模型最有希望的候选者包括费米实验室μ子 g-2实验和欧洲核子研究中心LHCb（大型强子对撞机）实验结果中发现的偏离。

毫无疑问，CDF得到的这一异常结果值得重视，它将W玻色子的质量测量提升到统计显著性的高度：用统计学的说法，接近7个标准差。这里7个标准差意味着，如果没有新的物理学影响到W玻色子的质量，那么起码与观测到的误差一样大的误差仍然会产生于实验运行的8000亿次当中，几率非常之小。即使是在习惯了天文数字的实验粒子物理学领域，这似乎也有点过于突兀：该领域统计意义的“黄金标准”阈值只有5个标准差，这相当于每350万次运行中出现一次偶然的给定效应。实在地说，7个标准偏差的与理论值不同的精确实测结果意味着CDF合作团队所得到的结果并非偶然，更有待再独立核实验证和进一步深入研究。

要确定W质量值异常的来源，还需要来自其它实验的证实。“这是一个非常惊人的结果，”ATLAS的物理协调员归尤姆·于纳勒（Guillaume Unal，他没有参与这项新研究）说：“这是一个非常复杂和具有挑战性的测量方法，以良好的准确性来真正检验粒子物理标准模型。”ATLAS目前正在努力改进对W质量的测量，于纳勒表示，使用LHC第二次运行（于2018年结束）的数据，可能会使他们接近CDF的W质量测量精度。

与此同时，理论家们将抓住这个新结果，提出无数种可能的解释。尽管大型强子对撞机已经排除了许多超对称（SUSY）理论的可能性。“当然，大型强子对撞机的限定变得越来越严格，”波兰科学院尼古拉斯·哥白尼天文中心的理论物理学家马尼马拉·查克拉博尔蒂（Manimala Chakraborti）说， “但是，你仍然可以发现 SUSY 所允许的参数空间。”

非超对称标准模型扩展的一个例子是修改希格斯项——在希格斯项中加入一个附加标量场，该标量场没有标准模型中的规范相互作用。这种模型预测的质量偏移可能高达100MeV/c2，其偏移取决于附加标量粒子的质量及与希格斯玻色子的相互作用。

诸如“暗光子”、弱相互作用中宇称守恒的恢复、希格斯玻色子可能的复合性质和希格斯玻色子相互作用的模型无关修正等也都是理论上可能的解释。

注：北京时间4月9日早上5时，美国CDF国际合作组将召开W玻色子质量测量实验结果的新闻发布会，有意者可关注：

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

参考资料

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/

直播预告：W质量研讨会

为促进中国高能物理同行与国际同行的学术交流，清华大学高能物理研究中心、清华大学物理系、南京师范大学物理与科学技术学院将于4月14日联合主办“W质量研讨会”。CDF合作组该物理分析负责人美国杜克大学教授Ashutosh V. Kotwal，美国匹兹堡大学教授韩涛，以及相关的理论和实验学家们将参加研讨会，对此结果展开充分的讨论。

本次研讨会将采取线上线下相结合的方式。两个线下会场分别设在清华物理系郑裕彤大讲堂和南师物科院行健楼437会议室，清华大学高能物理研究中心主任王青教授和南京师范大学肖振军教授主持研讨会的理论和讨论部分；CDF合作组成员、南京师范大学教授、清华大学访问教授易凯将在郑裕彤讲堂主持研讨会实验部分。线上zoom会议室将届时由《返朴》在微信视频号同步直播。

会议时间：北京时间 2022年4月14日 8:00-12:00

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关键词：标准模型测量精度实验结果