美国留学

机器之心合集

编辑：张倩、陈平

如果这一发现得到其他实验的证实，将是颠覆粒子物理标准模型的重大突破。

物理学家发现，一种称为W 玻色子的基本粒子似乎比标准模型预测的重0.1%。这种微小的差异可能预示着基础物理学的重大转变。结果出现在新一期《科学》杂志的封面上。

测量结果来自美国费米国家加速器实验室的一台旧粒子对撞机—— Tevatron，十年前它粉碎了最后的质子。此后，由400多名成员组成的CDF（费米实验室对撞机探测器）团队继续分析对撞机产生的W玻色子，跟踪无数的误差源，以达到无与伦比的精度。

如果W玻色子的“额外0.1%重量”能够被独立证实，那么意味着自然界中还有一些我们尚未发现的粒子或力，这将带来量子物理定律的第一次重大变化。半个世纪。改写。

马德里理论物理研究所的物理学家斯文·海涅迈尔(Sven Heinemeyer) 表示，“这将彻底改变我们看待世界的方式”，甚至可能与2012 年发现希格斯玻色子一样重要。 “希格斯粒子非常符合之前已知的图像。但这一发现代表了一个全新的领域。”

这一发现的出现正值物理学界渴望发现粒子物理学标准模型中的缺陷之际。标准模型是一组长期主导物理学并涵盖所有已知粒子和力的方程。众所周知，标准模型是不完整的，很多问题很难借助标准模型来解释，比如暗物质的本质。 CDF 小组的良好记录使他们的新结果对标准模型构成了可信的威胁。

在粒子物理学中，标准模型（SM）是一组描述三种基本力：强力、弱力和电磁力以及构成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，与量子力学和狭义相对论兼容。对上述三种力的几乎所有实验结果都与该理论的预测一致。但标准模型还不是万有理论，主要是因为它没有描述引力。标准模型中有61种基本粒子，包括费米子和玻色子——种。费米子具有半奇自旋并遵守泡利不相容原理（该原理规定没有相同的费米子可以占据相同的量子态）粒子；玻色子具有整数自旋，不遵守泡利不相容原理。

“他们已经完成了数百次漂亮的测量，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家艾达·埃尔-卡德拉(Aida El-Khadra) 说。 “他们以严谨着称。”

但还没有人开香槟。虽然单独来看，CDF 测量的W 玻色子质量与标准模型的预测相差甚远，但其他小组的结果与标准模型没有太大不同（尽管不太精确）。例如，2017年，欧洲大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验也测量了W玻色子的质量，发现它只比标准模型预测的重一根头发丝。 CDF 和ATLAS 之间的冲突表明，至少有一组在他们的实验中错过了一些微妙的怪癖。

大型强子对撞机的鸟瞰图。环形隧道全长27.36公里。

欧洲核研究组织的物理学家纪尧姆·施密特说：“我希望CDF 结果得到证实，并了解它与之前的测量有何不同。”该组织的实验室拥有大型强子对撞机，也是ATLAS 实验的成员。“大西洋两岸的W玻色子一定是相同的。”

“这是一项具有里程碑意义的工作，”麻省理工学院诺贝尔奖获得者、物理学家Frank Wilczek 说，“但很难知道如何利用这一结果。”

W（弱）玻色子

在物理学中，W 和Z 玻色子是负责传递弱力的基本粒子。弱力是宇宙四种基本力（万有引力、电磁力、强力（强力）、弱力（弱力））之一。四个基本力参数以微妙的平衡构成了当今已知的宇宙环境。这些参数甚至可以精确到小数点后无数位。这些参数中任何一个的变化都会引起整个宇宙的彻底改变。

与重力、电磁力和强力不同，弱力不会产生太大的推力或拉力，而是将较重的粒子转化为较轻的粒子。例如，子自发衰变成W玻色子和中微子，然后W玻色子变成电子和另一个中微子。相关的亚原子变形会产生放射性并有助于保持阳光灿烂。

费米实验室CDF 探测器中粒子碰撞的计算机图像显示W 玻色子衰变成正电子（洋红色块，左下）和不可见的中微子（黄色箭头）。资料来源：费米实验室/科学图片库

在过去的40 年里，W 和Z 玻色子的质量已通过各种实验进行了测量。 W玻色子的质量被证明是一个特别有吸引力的目标。其他粒子的质量只能被简单地测量并接受为自然事实，但W 玻色子的质量可以通过在标准模型方程中纳入一些其他可测量的量子特性来预测。

几十年来，费米实验室和其他地方的实验学家利用W 玻色子周围的连接网络来尝试检测更多粒子。一旦研究人员准确测量了对W 粒子质量影响最大的因素，例如电磁力的强度和Z 玻色子的质量，他们就可以开始感受到对其质量的较小影响。

这种方法使20 世纪90 年代的物理学家能够预测称为顶夸克的粒子的质量。他们在21 世纪初重复了这一壮举：在希格斯玻色子被发现之前预测其质量。

但是，尽管理论学家有各种各样的理由预期顶夸克和希格斯玻色子的存在，并通过标准模型方程与W 玻色子联系起来，但今天的理论并没有明显的缺失。 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

CDF对W玻色子质量的最新测量是基于对Tevatron在2002年至2011年间产生的约400万个W玻色子的分析。当Tevatron将质子碰撞成反质子时，W玻色子通常会出现在随后的混乱中。然后，W 可以衰变成中微子和 子/电子，两者都可以直接检测到。 子或电子速度越快，产生它的W 玻色子就越重。

杜克大学物理学家、CDF 背后的推动者阿舒托什·科特瓦尔(Ashutosh Kotwal) 正在致力于完善该计划。 W 玻色子实验的核心是一个圆柱形室，里面装满了30,000 根高压线，当 子或电子穿过高压线时，这些高压线会发生反应。这使得CDF 研究人员能够推断粒子的路径和速度。在此过程中，了解每根导线的确切位置是获得准确的粒子轨迹的关键。在新的分析中，科特瓦尔和他的同事利用了以宇宙射线形式从天而降的介子。这些子弹状粒子以近乎完美的直线连续穿过探测器，使研究人员能够探测到任何不稳定的导线，并将导线位置固定在1微米以内。

阿舒托什·科特瓦尔

Kotwal 研究团队还在数据发布之间的几年里以独立的方式进行了详尽的交叉检查和重复测量，以确保他们了解Tevatron 的每一个特性。与此同时，W 玻色子的测量结果积累得越来越快。 CDF 在2012 年发表了一篇论文，编号为《Precise measurement of the W-boson mass with the CDF II detector》，涵盖了Tevatron 前五年的数据，在接下来的四年里翻了两番。

“这就像消防水龙带中的水，比你喝水的速度更快，”科特瓦尔幽默地说。

在2020 年11 月的Zoom 会议上，Kotwal 详细介绍了团队的最新成果。在场的物理学家们一边消化着这个答案，一边沉默了。他们发现W玻色子的重量为804.33亿电子伏特（MeV），这给他们带来了大约9 MeV的误差。这使得它比标准模型预测的重76 MeV，这一差异约为测量或预测误差范围的七倍。

在科学界，科学家使用西格玛的数量来判断测量的重要性。如果sigma 小于3，科学家会认为它无趣。如果西格玛在3 到5 之间，科学家就会感兴趣，并将其称为“发现的证据”。如果sigma 大于5，则科学家确信差异是真实且有意义的。对于5 以上的西格玛，科学家通常将他们的论文命名为“Observations on.”。 5西格玛是一个重大发现。 CDF的测量结果是7 sigma，按理说这应该被宣布为重大发现。但ATLAS 和其他实验的低测量结果让他们犹豫了。

“我想说，这与其说是一个发现，不如说是一种挑衅，”费米实验室理论物理学家克里斯·奎格（Chris Quigg）说，他没有参与这项研究。 “这让我们有理由接受这个异常值。”

新的CDF测量结果是错误的，或者期待已久的突破即将到来

当Tevatron 积聚灰尘时，大型强子对撞机将承担确认或反驳CDF 测量结果的责任。该设备已经比Tevatron 产生更多的W 玻色子，但其更高的碰撞率使W 质量分析变得复杂。然而，通过收集额外的数据——可能在较低的光束强度——LHC可以在未来几年解决这些问题。

与此同时，理论学家们想知道超大W 玻色子可能意味着什么。

当子衰变成电子时，它会短暂地发射出W玻色子，它可以与其他粒子，甚至是未被发现的粒子相互作用。这个未知数可能会导致W 的质量测量出现错误。

此外，研究人员还给出了一些其他可能的原因。例如，W玻色子的额外重量可能是由第二个希格斯玻色子引起的，它比我们所知的希格斯玻色子更大。玻色子不太活跃；或者一个新的大质量玻色子传递弱力的一种变体；或者多个粒子形成复合希格斯玻色子（它们组合在一起的新力）。

一些理论家开始质疑超对称理论预测的粒子。超对称性是费米子和玻色子之间的对称性，在自然界中尚未观察到。该框架将物质粒子与承载力的粒子联系起来，为每个已知粒子建立一个相反类型的未被发现的粒子（称为“伙伴”）。但这个“超级伙伴”未能在大型强子对撞机上实现，超对称性也不再流行，但一些理论家仍然认为这是真的。

粒子物理学中的超对称性。概念图显示了超对称原理(SUSY) 引入的标准模型粒子及其较重的超对称伙伴。

Heinemeyer 和他的合作者最近计算出，某些超对称粒子可以解释另一个与标准模型不一致的假设，即 子g-2 异常。这样做时，这些粒子也使W 玻色子的质量略有增加，尽管不足以匹配CDF 测量结果。 “令人着迷的是，帮助我们解决g-2 问题的相同粒子也可能帮助我们解决W 玻色子质量问题，”Heinemeyer 说。

研究人员相信期待已久的突破即将到来。

“对我来说，感觉我们正在接近某种东西即将爆炸的临界点，我们正在接近一个超越标准模型的真实模型，”埃尔-卡德拉说。

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-article-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/