W 玻色子质量“超出预期”，宇宙或存在未被发现的粒子或力

北京时间 5 月 9 日消息，据国外媒体报道，对 W 玻色子质量的最新分析表明，这些粒子比粒子物理学中标准模型的预测值重得多。物理学家发现，这种传递弱核力的基本粒子似乎比以往预测的重了 0.1%，而正是这一微小的差异，可能预示着基础物理学将迎来重大改变。相关的研究结果发表在近日的《科学》（Science）杂志上。

▲ W 玻色子是 17 种已知的基本粒子之一，其奇特的质量测量结果可能指向未知的粒子或力。

对 W 玻色子的最新测量结果来自美国伊利诺伊州费米国家加速器实验室的一台老式粒子对撞机 —— 兆电子伏特加速器（Tevatron）。这是一座始建于 1983 年的粒子加速器，于 2011 年 9 月 30 日关闭。在此之后，费米实验室对撞机探测器（CDF）合作项目的大约 400 名成员继续分析由 Tevatron 产生的 W 玻色子，对无数可能的误差源进行追踪，以达到无与伦比的精度水平。

如果 W 玻色子相对于标准理论的预测值“超重 0.1%”能够被独立证实，那将意味着宇宙中存在着一些尚未被我们发现的粒子或力，半个世纪以来的量子物理定律可能将迎来首次重大改写，这将彻底改变我们看待世界的方式。希格斯玻色子很符合之前已知的图景，但此次发现将开启一个全新的领域。如果新研究结果得到验证，其意义甚至可能与 2012 年发现的希格斯玻色子相媲美。

目前，物理学界正急切地寻找粒子物理学标准模型存在的缺陷，而这一发现恰逢其时。标准模型是一组描述强力、弱力和电磁力这三种基本力及组成所有物质基本粒子的方程，在粒子物理学中长期占据主导地位，几乎涵盖了所有已知的粒子和力。然而，标准模型仍被认为是不完整的，还有许多未解之谜有待解释，比如暗物质的性质等。CDF 合作项目的良好记录使得他们的新测量结果相当可信，从而对标准模型构成了挑战。

不过，还没有人开香槟庆祝。尽管单独来看，新的 W 玻色子质量测量结果与标准模型的预测有较大差异，但其他测量实验产生的结果却没有这么引人注目（尽管不够精确）。例如，2017 年，欧洲大型强子对撞机（LHC）的 ATLAS 实验测量了 W 玻色子的质量，发现只比标准模型的预测值重了一点点 —— 只相当于一根头发的重量。CDF 和 ATLAS 之间不一致的结果表明，其中至少有一个团队忽略了实验中的一些微妙的古怪之处。

如果 CDF 的结果得到证实，研究人员也想了解它与之前测量结果之间的差异，大西洋两岸的 W 玻色子必须是一样的才对，这是一项里程碑式的工作，但我们也很难知道该怎么处理它。

W 玻色子

▲ CDF 项目是在 Tevatron 粒子加速器 6.3 公里环上不同位置进行的两个实验之一，图中显示的是 2001 年安装的过程。

W 玻色子和 Z 玻色子是负责传递弱核力的基本粒子，于 1983 年被发现，被认为是标准模型的一大胜利。W 玻色子因弱核力的“弱”（Weak）而得名。弱核力又称弱相互作用或弱力，是宇宙的四种基本力之一。与万有引力、电磁力和强核力（强相互作用）不同，弱核力并不会怎么推或拉，而是将较重的粒子转化为较轻的粒子。例如，一个 μ 介子自发衰变为 W 玻色子和一个中微子，然后，W 玻色子又衰变成一个电子和另一个中微子。相关的亚原子形变会产生放射性，这一过程可以使太阳光持续照射。

在过去 40 年里，研究人员通过各种各样的实验测量了 W 和 Z 玻色子的质量。事实证明，W 玻色子的质量是一个特别诱人的研究目标。当其他粒子的质量被简单测量并作为自然事实被接受时，W 玻色子的质量却只能通过在标准模型方程中结合一些其他可测量的量子性质来预测。

几十年来，费米实验室和其他研究机构的实验物理学家们一直在利用 W 玻色子周围的连接网络，试图探测到与其相关的其他粒子。一旦研究人员精确测量了对 W 玻色子质量影响最大的项 —— 如电磁力的强度和 Z 玻色子的质量 —— 他们就可以开始检测对其质量影响较小的其他因素。

通过这种方法，物理学家在 20 世纪 90 年代预测了一种叫做顶夸克的粒子的质量。顶夸克通过强力与其他基本粒子相互作用，通过弱力衰变为 W 玻色子和底夸克。1995 年，物理学家探测并确定了顶夸克的质量。2000 年，物理学家们又重复了这一壮举：在发现希格斯玻色子之前预测了它的质量。

然而，尽管理论物理学家们有各种理由期待顶夸克和希格斯玻色子的存在，并通过标准模型方程将其与 W 玻色子联系起来，但今天的理论并没有明显缺失的部分。W 玻色子质量的任何差异都指向未知。

测量 W 玻色子的质量

▲ 费米实验室的 Tevatron 粒子对撞机曾经是世界上最强大的加速器。

CDF 项目对 W 玻色子质量的最新测量是以 Tevatron 在 2002 年到 2011 年间产生的大约 400 万个 W 玻色子的分析为基础来完成的。当 Tevatron 用质子来撞击反质子时，W 玻色子经常会在随后的混乱中出现。然后 W 玻色子会衰变为一个中微子和一个 μ 介子或电子，后两者都可以直接探测到。μ 子或电子越快，产生它的 W 玻色子就越重。

美国杜克大学的物理学家阿舒托什・科特瓦尔是 CDF 最近这些合作分析的幕后推手，他的职业生涯都致力于完善这一框架。W 玻色子实验的核心是一个装有 3 万根高压导线的圆柱形腔室，当 μ 介子或电子穿过其中时，这些高压导线就会发生反应，从而使 CDF 的研究人员推断出粒子的路径和速度。了解每根导线的确切位置是获得粒子精确轨迹的关键。在进行新的分析时，科特瓦尔和他的同事利用了从天空中以宇宙射线形式落下的 μ 介子。这些粒子像子弹一样，以近乎完美的直线穿过探测器，让研究人员能够探测到任何不稳定的导线，并将导线的位置固定在 1 微米以内。

研究人员还花了数年时间在数据发布之间进行详尽的交叉检查，以独立的方式重复测量结果，以确保充分了解 Tevatron 的每一个特性。与此同时，W 玻色子的测量值积累得越来越快。CDF 最近一份分析报告发布于 2012 年，涵盖了 Tevatron 头五年的数据。在接下来的四年里，数据量又翻了两番。“它就像消防水管的水一样冲过来，比你喝水的速度还快，”科特瓦尔说道。

距离最后一次分析近十年后，CDF 合作项目终于公布了结果。在 2020 年 11 月的一次 Zoom 会议上，科特瓦尔按下一个按键，解密了该团队的结果（他们使用了加密数据，使得数字不会影响他们的分析）。在座的物理学家们陷入沉默，似乎都在思索这些结果意味着什么。他们发现，W 玻色子的质量为 804.33 亿电子伏特（MeV），误差在 9MeV 左右。这使得它比标准模型预测的要重 76MeV，这个误差大约是测量或预测误差的 7 倍。

科学家通常用若干 sigma 来判断一项测量的重要程度，当 sigma 超过 5 时，科学家就有信心宣布自己取得了确定性的发现，而 CDF 的测量结果达到了“7 sigma”，可以说是非常明确的结果。然而，ATLAS 和其他实验的低测量值让研究人员不得不停了下来。

是新的测量有误，还是意味着新的突破？

▲ 费米实验室 CDF 探测器的粒子碰撞计算机图像，显示了一个 W 玻色子衰变成一个正电子（左下洋红色块）和一个看不见的中微子（黄色箭头）。

随着 Tevatron 的关闭，确认或否定 CDF 测量结果的责任落在了大型强子对撞机（LHC）上。事实上，该装置已经产生了比 Tevatron 更多的 W 玻色子，但其更高的碰撞率使得对 W 玻色子质量的分析更加复杂。不过，通过收集更多的数据 —— 可能是在更低的束流强度下 ——LHC 有望在未来几年解决这些问题。

与此同时，理论物理学家们不得不开始思考“超重的”W 玻色子可能意味着什么。一个 μ 介子在衰变为电子时会短暂地释放出 W 玻色子，这中间 W 玻色子可以与其他粒子相互作用，甚至与尚未被发现的粒子相互作用。这种与未知粒子的相互作用可能使 W 玻色子的质量测量出现偏差。

另一种可能是，较重的 W 玻色子可能是由另一个希格斯玻色子导致的，它比我们已知的希格斯玻色子更不活跃。或者，这可能是由于一种新的大质量玻色子介导了一种弱力的变体，或者是由多个粒子组成的“复合”希格斯玻色子，一种新的力将它们结合在一起。

一些理论物理学家怀疑，W 玻色子质量的异常可能源于超对称性理论所预测的粒子。超对称性理论是一个得到长期研究的框架，将物质粒子和承载力的粒子联系起来，为每一个已知的粒子都假定了一个尚未发现的相反类型的粒子 —— 或可称为“拍档”（费米子的超对称粒子）。不过，科学家在大型强子对撞机中一直未能发现超对称粒子，超对称性理论也就不再流行了，但一些理论物理学家仍相信该理论是正确的。

斯文・海因迈耶和他的合作者最近计算出，某些超对称粒子能够解决另一种假定的与标准模型不符的现象，即 μ 子 g-2 异常。这样一来，这些粒子也可能使 W 玻色子的质量略微上升，尽管还不足以匹配 CDF 的测量结果。他说：“帮助我们研究 g-2 的粒子，也可能帮助我们研究 W 玻色子质量，这很有意思。”

实验物理学家们在精密测量方面的辛勤工作，使研究人员更加乐观地认为，期待已久的突破即将到来。总的来说，物理学家正在接近取得突破的时刻，也正在接近真正地超越标准模型。

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