引爆物理界的新发现登顶封面却难以复现，实验设备 11 年前就拆了

W 玻色子严重“超重”，带来的风波还在继续。

这项被誉为是“十年来最重磅物理学发现”的研究，对于物理学界正是“垂死病中惊坐起，还能发现新物理”。

若验证为真，将使得基础物理学理论被重新改写。

但如果无法验证呢？

是的，现在已有不少物理学家表示：

这项登上了 Science 封面的实验结果是孤证，还需要其他实验进一步确认。

究其原因，还是这项实验所用数据的关键产出设备，在 2011 年就已经被关闭了。

因此，费米实验室的研究人员可以说是使用了十年前的“过期”数据完成了这项实验。

在这种情况下，如果最终得到的颠覆性的实验结果只是源于装置的某个故障，也难以再次复查和验证 ——

别觉得这样的质疑无厘头，2011 年时，来自意大利的 OPERA 实验组就有过同样颠覆性的实验结果：中微子速度超越真空中的光速。

然而在近一年的细致排查后，才发现这一结果其实是由一个光纤接口不牢固导致的。

那么这次松动的到底是物理学的大厦，还是费米实验室装置的光纤接口，也只能静待更多的验证了。

一场无法再复现的“乌云”

这次，我们从用于那台产出重要实验数据的装置来看这项引爆物理学界的实验。

就是这台 1970 年 12 月启动，位于芝加哥的美国费米国家实验室的 Tevatron 加速器。

△ 两个圆环都是 Tevatron 加速器的组成部分

Tevatron 加速器周长 6 千米，曾经是世界上最强的加速器。

它的主要功能，就是将正反质子加速，使得正反质子分别在圆环形真空轨道内顺时针和逆时针运动，在对撞点处受磁场控制偏向后对撞。其上还搭载了一个复合粒子探测器（CDF）。

正反质子对撞后，会产生新的粒子飞出，并产生一条条径迹。这时，CDF 内不同的层就会测量不同类型粒子的动量、能量及其分布：

Tevatron 加速器最著名的成果，就是在 1995 年发现了粒子物理学标准模型预测的最后一个基本费米子：顶夸克。

不过，随着更加强大的对撞机 LHC 的出现，Tevatron 加速器只活跃到了 2011 年，便因缺乏经费被关闭，并在随后的几年中逐渐被拆除了。

从 2001 年到 2011 年，Tevatron 对撞机产生了大约 500 万亿次碰撞，费米实验室的科学家们就对这些数据进行分析，并提取出了大约 100 万个 W 玻色子。

而从那时起到现在的十余年里，研究人员没有获得任何新的实验数据。

但在十年内，他们成功将 Tevatron 对撞机产生的粒子的轨迹分辨率从 150 微米提升到了 30 微米，同时又从数据中提取了 300 万个 W 玻色子。

对于收集到的对撞产物的能量、动量的分布，研究人员对数据进行清晰之后，得到了其分布的峰值：

这些分布都被用来测量 W 玻色子的质量。

最终，费米实验室团队实现了有史以来人类对 W 玻色子质量最精确的测量 —— 精确度达到了 117ppm（ppm 表示每百万分之一）。

这一结果，就仿佛向物理学界投入了一颗重磅炸弹。

是“新乌云”还是“新乌龙”？

于是乎，与之相关的讨论也随之热了起来。

单是在 arXiv 上，在此之后便有了近 30 篇的预印本论文发表：

第一种“声音”，是通过其它实验来给 CDF 的测量做佐证。

对于一些物理学家来说，W 玻色子质量的异常，正好能去年发现的 μ 子磁矩异常联系起来。

当时科学家发现 μ 子磁矩也和标准模型矛盾，而 W 玻色子的实验结果，可以用来解释 μ 子磁矩异常的问题。

比如一项来自美国俄克拉荷马州立大学与马普所的工作，就是探讨二者的相关性。

而这项研究认为 CDF 的测量结果，等于是用一个异常解释了另一个异常。

还有人提出了新的计算 W 玻色子的模型。

南京师范大学和 德累斯顿工业大学等研究，提出了用 FlexibleSUSY，对标准模型以外的模型中 W 玻色子极质量的最新计算。

研究人员将计算结果应用到了几个标准模型的扩展，结果认为：

符合 CDF 的新测量。

但与此同时，物理圈里也有不一样的声音。

例如来自复旦、中科院的研究，便基于 CDF 测量结果，在各种框架和假设下进行电弱全局拟合。

不过在论文的最后，研究人员还是表示：

非常需要更多的理论和实验发展，来揭示这种差异背后的物理学。

与此同时，面对研究引发的“新物理学”的说法，也有更加犀利的声音 ——

“I fear not (yet).”

发表这个观点的，是来自德国美因茨大学的 Matthias Schott 教授。

他也是从 2012 年开始研究 W 玻色子质量，他认为这项测试是一件非常困难的事情。

而当他看完 Science 发表的这篇论文后评价道：

一个主要的问题是，新的测量方法与所有其他可用的测量方法不一致。

我认为这一点在他们的论文中没有表达地很好。

主要是因为 LEP 实验的测量结果没有被结合起来；其次是因为他们没有显示 LHCb 的最新结果。

对此，Matthias Schott 教授还新建了一张图表，可以看到，此次 7σ 的结果与此前的测量结果完全不重合，确为一个孤证。

△ CDF 与其它 W 玻色子质量测量的比较，偏离 7σ 是个孤例

而在费米实验室的论文也提到了一点：

大致意思就是，这次实验并不是独立测量，是有依赖于现有模型；如果未来有理论模型更新，可能会影响测量结果。

除此之外，关于“Tevatron 加速器在 2011 年就关闭”这个点，也有声音认为是潜在因素之一。

正如刚开始我们提到的，此前在探测中微子振荡的 OPERA 实验组，就宣布过其所测中微子速度超越了真空中的光速。

但结果却是，实验组发现这是由一个光纤接口不牢固导致的。

无独有偶，Matthias Schott 教授也曾提到过因为装置而产生的趣闻。

在他和团队通过 ATLAS 探测器测量 W 波色子质量过程中，有很长一段时间对数据中的特征无法做出解释。

最终他们的发现是 ATLAS 探测器因为自身重量达到 7000 吨，随着时间的推移而变形造成的。

……

而至于费米实验室此次测量的结果是否会真的引发“新物理学”，答案还需交给时间和未来的发展。

不过正如 Matthias Schott 教授，有一点是值得肯定的：

W 玻色子质量在未来的研究中是值得的！

参考链接：

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

[2]https://arxiv.org/search/?searchtype=all&query=W+boson&abstracts=show&size=50&order=-submitted_date

[3]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ke6khJ-TFOrK5nGJ-AdXDg

[5]https://arxiv.org/abs/2204.05303

[6]https://arxiv.org/abs/2204.05296

[7]https://arxiv.org/abs/2204.05285

[8]https://non-trivial-solution.blogspot.com/2022/04/do-we-have-finally-found-new-physics.html

[9] 王一研究宇宙：https://www.zhihu.com/ question / 526650510 / answer / 2428671332

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