W 玻色子質量“超出預期”，宇宙或存在未被發現的粒子或力

北京時間 5 月 9 日消息，據國外媒體報道，對 W 玻色子質量的最新分析表明，這些粒子比粒子物理學中標準模型的預測值重得多。物理學家發現，這種傳遞弱核力的基本粒子似乎比以往預測的重了 0.1%，而 正是這一微小的差異，可能預示着基礎物理學將迎來重大改變 。相關的研究結果發表在近日的《科學》（Science）雜誌上。

▲ W 玻色子是 17 種已知的基本粒子之一，其奇特的質量測量結果可能指向未知的粒子或力。

對 W 玻色子的最新測量結果 來自美國伊利諾伊州費米國家加速器實驗室的一台老式粒子對撞機 —— 兆電子伏特加速器（Tevatron） 。這是一座始建於 1983 年的粒子加速器，於 2011 年 9 月 30 日關閉。在此之後，費米實驗室對撞機探測器（CDF）合作項目的大約 400 名成員繼續分析由 Tevatron 產生的 W 玻色子，對無數可能的誤差源進行追蹤，以達到無與倫比的精度水平。

如果 W 玻色子相對於標準理論的預測值“超重 0.1%”能夠被獨立證實，那將 意味着宇宙中存在着一些尚未被我們發現的粒子或力 ，半個世紀以來的量子物理定律可能將迎來首次重大改寫，這將徹底改變我們看待世界的方式。希格斯玻色子很符合之前已知的圖景，但此次發現將開啟一個全新的領域。 如果新研究結果得到驗證，其意義甚至可能與 2012 年發現的希格斯玻色子相媲美 。

目前， 物理學界正急切地尋找粒子物理學標準模型存在的缺陷 ，而這一發現恰逢其時。標準模型是一組描述強力、弱力和電磁力這三種基本力及組成所有物質基本粒子的方程，在粒子物理學中長期佔據主導地位，幾乎涵蓋了所有已知的粒子和力。然而，標準模型仍被認為是不完整的，還有許多未解之謎有待解釋，比如暗物質的性質等。CDF 合作項目的良好記錄使得他們的新測量結果相當可信，從而對標準模型構成了挑戰。

不過，還沒有人開香檳慶祝。儘管單獨來看，新的 W 玻色子質量測量結果與標準模型的預測有較大差異，但其他測量實驗產生的結果卻沒有這麼引人注目（儘管不夠精確）。例如，2017 年，歐洲大型強子對撞機（LHC）的 ATLAS 實驗測量了 W 玻色子的質量，發現只比標準模型的預測值重了一點點 —— 只相當於一根頭髮的重量。CDF 和 ATLAS 之間不一致的結果表明，其中至少有一個團隊忽略了實驗中的一些微妙的古怪之處。

如果 CDF 的結果得到證實，研究人員也想了解它與之前測量結果之間的差異，大西洋兩岸的 W 玻色子必須是一樣的才對，這是一項里程碑式的工作，但我們也很難知道該怎麼處理它。

W 玻色子

▲ CDF 項目是在 Tevatron 粒子加速器 6.3 公里環上不同位置進行的兩個實驗之一，圖中顯示的是 2001 年安裝的過程。

W 玻色子和 Z 玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子，於 1983 年被發現，被認為是標準模型的一大勝利。W 玻色子因弱核力的“弱”（Weak）而得名。弱核力又稱弱相互作用或弱力，是宇宙的四種基本力之一。與萬有引力、電磁力和強核力（強相互作用）不同，弱核力並不會怎麼推或拉，而是將較重的粒子轉化為較輕的粒子。例如，一個 μ 介子自發衰變為 W 玻色子和一箇中微子，然後，W 玻色子又衰變成一個電子和另一箇中微子。相關的亞原子形變會產生放射性，這一過程可以使太陽光持續照射。

在過去 40 年裏，研究人員通過各種各樣的實驗測量了 W 和 Z 玻色子的質量。事實證明，W 玻色子的質量是一個特別誘人的研究目標。當其他粒子的質量被簡單測量並作為自然事實被接受時，W 玻色子的質量卻只能通過在標準模型方程中結合一些其他可測量的量子性質來預測。

幾十年來，費米實驗室和其他研究機構的實驗物理學家們一直在利用 W 玻色子周圍的連接網絡，試圖探測到與其相關的其他粒子。一旦研究人員精確測量了對 W 玻色子質量影響最大的項 —— 如電磁力的強度和 Z 玻色子的質量 —— 他們就可以開始檢測對其質量影響較小的其他因素。

通過這種方法，物理學家在 20 世紀 90 年代預測了一種叫做頂夸克的粒子的質量。頂夸克通過強力與其他基本粒子相互作用，通過弱力衰變為 W 玻色子和底夸克。1995 年，物理學家探測並確定了頂夸克的質量。2000 年，物理學家們又重複了這一壯舉：在發現希格斯玻色子之前預測了它的質量。

然而，儘管理論物理學家們有各種理由期待頂夸克和希格斯玻色子的存在，並通過標準模型方程將其與 W 玻色子聯繫起來，但今天的理論並沒有明顯缺失的部分。W 玻色子質量的任何差異都指向未知。

測量 W 玻色子的質量

▲ 費米實驗室的 Tevatron 粒子對撞機曾經是世界上最強大的加速器。

CDF 項目對 W 玻色子質量的最新測量是以 Tevatron 在 2002 年到 2011 年間產生的大約 400 萬個 W 玻色子的分析為基礎來完成的。當 Tevatron 用質子來撞擊反質子時，W 玻色子經常會在隨後的混亂中出現。然後 W 玻色子會衰變為一箇中微子和一個 μ 介子或電子，後兩者都可以直接探測到。μ 子或電子越快，產生它的 W 玻色子就越重。

美國杜克大學的物理學家阿舒託什・科特瓦爾是 CDF 最近這些合作分析的幕後推手，他的職業生涯都致力於完善這一框架。W 玻色子實驗的核心是一個裝有 3 萬根高壓導線的圓柱形腔室，當 μ 介子或電子穿過其中時，這些高壓導線就會發生反應，從而使 CDF 的研究人員推斷出粒子的路徑和速度。瞭解每根導線的確切位置是獲得粒子精確軌跡的關鍵。在進行新的分析時，科特瓦爾和他的同事利用了從天空中以宇宙射線形式落下的 μ 介子。這些粒子像子彈一樣，以近乎完美的直線穿過探測器，讓研究人員能夠探測到任何不穩定的導線，並將導線的位置固定在 1 微米以內。

研究人員還花了數年時間在數據發佈之間進行詳盡的交叉檢查，以獨立的方式重複測量結果，以確保充分了解 Tevatron 的每一個特性。與此同時，W 玻色子的測量值積累得越來越快。CDF 最近一份分析報吿發佈於 2012 年，涵蓋了 Tevatron 頭五年的數據。在接下來的四年裏，數據量又翻了兩番。“它就像消防水管的水一樣衝過來，比你喝水的速度還快，”科特瓦爾説道。

距離最後一次分析近十年後，CDF 合作項目終於公佈了結果。在 2020 年 11 月的一次 Zoom 會議上，科特瓦爾按下一個按鍵，解密了該團隊的結果（他們使用了加密數據，使得數字不會影響他們的分析）。在座的物理學家們陷入沉默，似乎都在思索這些結果意味着什麼。他們發現，W 玻色子的質量為 804.33 億電子伏特（MeV），誤差在 9MeV 左右。這使得它比標準模型預測的要重 76MeV，這個誤差大約是測量或預測誤差的 7 倍。

科學家通常用若干 sigma 來判斷一項測量的重要程度， 當 sigma 超過 5 時，科學家就有信心宣佈自己取得了確定性的發現 ，而 CDF 的測量結果達到了“7 sigma”，可以説是非常明確的結果 。然而，ATLAS 和其他實驗的低測量值讓研究人員不得不停了下來。

是新的測量有誤，還是意味着新的突破？

▲ 費米實驗室 CDF 探測器的粒子碰撞計算機圖像，顯示了一個 W 玻色子衰變成一個正電子（左下洋紅色塊）和一個看不見的中微子（黃色箭頭）。

隨着 Tevatron 的關閉，確認或否定 CDF 測量結果的責任落在了大型強子對撞機（LHC）上。事實上，該裝置已經產生了比 Tevatron 更多的 W 玻色子，但其更高的碰撞率使得對 W 玻色子質量的分析更加複雜。不過，通過收集更多的數據 —— 可能是在更低的束流強度下 ——LHC 有望在未來幾年解決這些問題。

與此同時，理論物理學家們不得不開始思考“超重的”W 玻色子可能意味着什麼。一個 μ 介子在衰變為電子時會短暫地釋放出 W 玻色子，這中間 W 玻色子可以與其他粒子相互作用，甚至與尚未被發現的粒子相互作用。這種與未知粒子的相互作用可能使 W 玻色子的質量測量出現偏差。

另一種可能是，較重的 W 玻色子可能是由另一個希格斯玻色子導致的，它比我們已知的希格斯玻色子更不活躍。或者，這可能是由於一種新的大質量玻色子介導了一種弱力的變體，或者是由多個粒子組成的“複合”希格斯玻色子，一種新的力將它們結合在一起。

一些理論物理學家懷疑，W 玻色子質量的異常可能源於超對稱性理論所預測的粒子。超對稱性理論是一個得到長期研究的框架，將物質粒子和承載力的粒子聯繫起來，為每一個已知的粒子都假定了一個尚未發現的相反類型的粒子 —— 或可稱為“拍檔”（費米子的超對稱粒子）。不過，科學家在大型強子對撞機中一直未能發現超對稱粒子，超對稱性理論也就不再流行了，但一些理論物理學家仍相信該理論是正確的。

斯文・海因邁耶和他的合作者最近計算出，某些超對稱粒子能夠解決另一種假定的與標準模型不符的現象，即 μ 子 g-2 異常。這樣一來，這些粒子也可能使 W 玻色子的質量略微上升，儘管還不足以匹配 CDF 的測量結果。他説：“幫助我們研究 g-2 的粒子，也可能幫助我們研究 W 玻色子質量，這很有意思。”

實驗物理學家們在精密測量方面的辛勤工作，使研究人員更加樂觀地認為，期待已久的突破即將到來。總的來説，物理學家正在接近取得突破的時刻，也正在接近真正地超越標準模型。