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撰文｜安海鵬  陳新  胡震  王青  易凱

責編｜邸利會

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20世紀初，物理學已經發(fā)展到了非常完美的程度。但是，經典物理大廈上空飄浮的兩朵小小的烏云，卻最終發(fā)展成為一場推倒大廈的風暴，并促成了相對論和量子力學的建立。

百年之后，2021年4月7日上午，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）公布了繆子 g-2 實驗組對于繆子反常磁矩的首個測量結果，瞬間掀起了人們對于物理學發(fā)展的新討論。有人認為，這一發(fā)現(xiàn)將會進一步揭開新物理的面紗，但也不乏質疑的聲音。

整整一年以后的2022年4月7日（芝加哥當?shù)貢r間），費米實驗室CDF國際合作組發(fā)布了一項新的實驗結果——

本文作者之一、CDF合作組成員、南京師范大學教授、清華大學訪問教授易凱認為，“CDF經過長期努力才取得迄今為止最為精確的測量，這一結果如果得到別的實驗的證實，對目前的標準模型是一個沖擊。中國LHC各個合作組同世界上其他的研究團隊一起在LHC數(shù)據(jù)中有望間接和直接找到完善標準模型的證據(jù)。”

該研究以封面文章發(fā)表在4月8日《科學》（Science）雜志上，又一次引發(fā)了物理界的大討論：新物理烏云真的要出現(xiàn)了嗎？

粒子物理標準模型理論描述了組成所有物質的61種基本粒子，也闡釋了它們之間的三種基本相互作用——電磁力、弱力和強力，是物理學最基本的理論之一。

根據(jù)標準模型，相互作用力是通過基本粒子來傳遞的。

W玻色子正是借用了Weak force（弱力）的首字母來命名的。

圖1 標準模型 (Credit: TriTertButoxy/Stannered at English Wikipedia)

W玻色子另一神奇的特征是，不同于傳遞電磁力的零質量光子，它居然有質量。而且，W的質量直接影響了費米常數(shù)，它決定了太陽中心聚變過程的速率，如果這過程太快了，恐怕地球上就沒有足夠時間演化出人類。

上世紀中葉，格拉肖（Sheldon L. Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）統(tǒng)一了弱力和電磁力，并因此獲得了1979年諾貝爾物理學獎。

與此同時，實驗粒子物理學家們一直希望能在高能實驗中尋找到W玻色子，但由于它的質量較重，需要能量足夠高的加速器，才容易從復雜的實驗數(shù)據(jù)中觀測到蹤跡。

這項努力一直延續(xù)到1983年，在歐洲核子中心（CERN）的超級質子同步加速器（Super Proton Synchrotron）上，魯比亞（Carlo Rubbia）和范德梅爾（Simon van der Meer）等人帶領UA1和UA2合作組，終于在實驗上發(fā)現(xiàn)了W玻色子和Z玻色子存在的證據(jù)，并于次年獲得諾貝爾物理學獎。

位于歐洲核子中心的大型正負電子對撞機（LEP）上的ALEPH實驗、DELPHI實驗、L3實驗、OPAL實驗，大型強子對撞機（LHC）上的ATLAS實驗、LHCb實驗，以及位于美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）上的CDF實驗、D0實驗等都對W玻色子的質量進行過測量。

圖2 對W玻色子質量的測量

在對撞機實驗中，粒子物理學家通常是通過研究高能粒子的衰變產物來測量它們的質量。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過程中會伴隨產生一個看不見的中微子，這給精確測量W玻色子的質量帶來了巨大的困難。

美國費米實驗室的Tevatron曾為世界上最大的對撞機。在Tevatron里，質子和反質子被加速到它們的靜止質量的1000倍，然后發(fā)生碰撞，從而大量產生W玻色子。

CDF（Collider Detector at Fermilab）是Tevatron上的一個通用型粒子探測器，粒子物理實驗學家們通過研究CDF探測到的W玻色子衰變產生的帶電輕子的信號來計算W玻色子的質量。

圖3 LHC 的 ATLAS 探測器 | 圖片源自 CERN

為什么科學家們認為W玻色子質量的偏差暗示著新物理的存在？

在粒子物理標準模型中，W玻色子的質量通過內部對稱性和標準模型中的其他參數(shù)緊密聯(lián)系在一起。粒子理論學家可以通過已經測得的希格斯玻色子的質量、Z玻色子的質量、頂夸克的質量、繆子的壽命計算出W玻色子的質量。

如果CDF的最新結果是正確的，那么在標準模型的框架下W玻色子的質量和以前測得的Z玻色子的質量、頂夸克的質量、希格斯玻色子的質量還有繆子的壽命是不相容的。

這意味著粒子物理標準模型并不完備，需要引進新物理的修正。但是這種新物理的修正往往有很多的可能性。因此，我們需要進一步的實驗來檢驗這些新物理的模型。

需要注意的是，從上圖我們可以看到，CDF最新的結果和ATLAS的測量結果也存在大約3個標準差的偏差，而ATLAS的結果和標準模型的結果在一個標準差之內是吻合的。

因此，標準模型對W玻色子的質量的預言是否有偏差也還需要其他的實驗進一步檢驗。

中國參與的大型強子對撞機上的ATLAS實驗、CMS實驗、LHCb實驗正在進行相關的研究。規(guī)劃中的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）、未來環(huán)形對撞機（FCC）等，將能夠對W玻色子的質量做更為精細的測量，進一步檢測標準模型計算是否需要被修改或擴展。

圖4 CEPC設計示意圖

就W玻色子質量測量的最精確結果，《知識分子》邀請匹茲堡大學的杰出教授韓濤進行解讀。

W玻色子的質量測量是有重要物理意義的。

因為基本粒子當中，費米子和希格斯粒子的質量在標準模型里沒有一個確定的預言，基本上都是獨立的自由參數(shù)?？墒荳粒子質量和Z粒子質量，是由熟悉的弱電力與真空相互作用確定的。知道了核力的弱相互作用， W粒子質量基本上從這個理論框架當中就固定了，是有一個明確的預言和限制。

測量W/Z粒子質量的精確自洽程度，就意味著我們對理論的相互作用的一個深刻理解。目前我們有了成功的標準模型的理論結構，固定的理論常數(shù)，不管什么實驗上的可觀測量，都應該用同樣這幾個標準模型參數(shù)來描述，這是理論的完整自洽性?？墒沁@次對W質量的獨立測量，跟標準模型的預期不一樣。而且從統(tǒng)計上看，出現(xiàn)7個標準方差，這是相當明顯的差別了， 無法從簡單的調整標準模型參數(shù)來達到自洽。

從實驗和測量來講，CDF實驗組做得非常好。他們實驗的精度，對電子和繆子的能量動量的測量，顯然比以前任何人做的都好，我們應該祝賀他們。

但是有如下三個方面要提請注意。

第一條要注意的是，所謂7個標準方差，是從統(tǒng)計的觀點來看的。實驗測量還要考慮系統(tǒng)誤差，基本與統(tǒng)計誤差無關。這涉及一些理論處理，計算模擬中的不確定性。CDF當然也認真的做了系統(tǒng)誤差的估計，結果跟統(tǒng)計誤差是同數(shù)量級。我個人認為系統(tǒng)誤差應該再進一步的理解和處理。大家仍然對系統(tǒng)誤差的處理持有一定的保留態(tài)度。我覺得系統(tǒng)誤差是很重要問題。

第二個問題是，CDF的最新結果與另外的兩個類似實驗結果不盡符合。一個是CDF在費米實驗室的姊妹實驗D0，另一個是LHC的ATLAS實驗。這三個實驗必須協(xié)調找出其潛在原因，才能下結論。

最后，假設這個新的結果以及誤差估計確實是可靠的，那么這一定意味著有一些新的物理現(xiàn)象出現(xiàn)，超出了標準模型。有一些新的理論模型的確可以來解決這樣的差別。由于此結果的高精度，很小的新物理效應也可能會通過它來揭示出來的。

展望未來，LHC已經收集了15倍于CDF的數(shù)據(jù)。我們期待LHC的實驗結果的發(fā)表。對于正負電子對撞機，F(xiàn)CC-ee和CEPC在W粒子對產生之后，基本上沒有背景噪音，非?？梢云诖堰@個數(shù)據(jù)測量精確提高幾倍。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/

https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

http://hep.tsinghua.edu.cn/news/20220408wmass.html

注：該文除韓濤教授的解讀外，其余部分與《現(xiàn)代物理知識》同步首發(fā)，略有編輯。