挑戰标準模型？最新W玻色子品質測量值高出理論7個标準差

中原標準時間4月8日淩晨，《Science》封面文章報道了美國費米國家加速器實驗室公布的Tevatron質子-反質子對撞機CDF實驗組對W玻色子品質的最新測量結果。文章稱，在前所未有的實驗精度下，W玻色子品質為80433.5 ±9.4 MeV/c^2，比理論預言值80357 ±6 MeV/c^2高出7個标準差。那麼，這一結果是否挑戰了現有的粒子實體标準模型，預示着将出現新實體？

編譯 | 劉航

審校 | 任愚、費進

中原標準時間2022年4月8日2時，美國CDF（Collider Detector at Fermilab，費米實驗室的對撞機探測器）國際合作組釋出了W玻色子品質測量迄今為止最精确的結果，比粒子實體标準模型的理論預言值高了7個标準差。該實驗結果作為封面文章發表在4月7日的《科學（Science）》雜志上。

粒子實體标準模型是迄今最為成功的基本粒子理論，其描述了組成物質的所有已知基本粒子及它們之間的強力、弱力和電磁力三種基本互相作用。強力将誇克和核子等束縛在一起構成了原子核，電磁力将原子核和電子結合在一起構成了原子和分子，那弱力有什麼作用呢？事實上，弱力是至關重要的，尤其是對像太陽這樣的大品質天體而言。弱力的載體是 W 和 Z 玻色子，與電中性的Z玻色子不同的是，W 玻色子帶有電荷。這意味着質子可以通過發射帶正電的 W+ 玻色子而轉變為中子（W+ 是W 的反粒子）；四個氫核（即質子）可以擠壓融合在一起最終形成氦核。在這個氫核聚變可釋放大量能量，進而維持太陽内部的燃燒。

W玻色子于1980年代在歐洲核子研究中心（CERN – 法語：Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire）的超級質子-反質子同步加速器中被發現。它的品質在大型電子正電子對撞機（LEP，LEPII，也在歐洲核子研究中心）、費米實驗室的 Tevatron 質子-反質子對撞機及大型強子對撞機（LHC）的探測器 ATLAS 上都進行了測量。與粒子實體學标準模型中的其它基本粒子一樣，W 玻色子的品質也源于Brout-Englert-Higgs機制，是粒子實體學标準模型的一個關鍵參數。正是對W玻色子品質的粗略測量，使得實體學家在1990年以合理的精度預測了頂誇克的品質。而後，利用W玻色子品質和頂誇克品質，研究人員對希格斯玻色子的品質做了類似的預測，并于2012年在CERN得到了實驗證明。

圖1. 費米實驗室的對撞機探測器 (CDF)，其在Tevatron 粒子加速器上進行了重新設定安裝。CDF 進行了W玻色子品質的精确測量實驗，W玻色子的品質是粒子實體标準模型的關鍵參數。丨圖源：科學史圖檔/Alamy Stock Photo

在粒子實體學中，資料往往會比生成資料的探測器存留更長的時間。十年前，費米實驗室重達 4100 噸的CDF探測器達到其使用期限并被關閉，其部件被拆解用于其它實驗。現在，對舊 CDF 資料的新分析發現了 W 玻色子品質的驚人差異。由于W玻色子的衰變模式在實驗上的探測困難，其品質測量精度一直停留在幾十個MeV/c^2量級，最好的單個實驗的精度也在二十個MeV/c^2左右。這與W玻色子的姊妹粒子——Z玻色子的品質測量精度（2 MeV/c^2）反差極大。實驗粒子實體學家為了提高測量精度付出了長期的不懈努力。

此次，CDF實驗合作組利用其二期運作（Run II）期間收集的所有資料，對W玻色子的品質進行了目前為止最為精确的測量和評估，誤差（包括統計誤差和系統誤差）首次降至個位數——9 MeV/c^2（圖2）。這一結果的精度達到了0.01%，超越了之前任何一個相關實驗的精度，也超越了之前所有相關實驗結果的權重綜合精度，是以樹立了用W玻色子品質的精确測量對标準模型進行檢驗的一個新的裡程碑。在這樣的測量精度下，CDF實驗合作組得到的W玻色子品質比粒子實體标準模型的理論預言值高了7個标準差（包括實驗和理論誤差）。

實體學家很早便知道 W 玻色子的近似品質，大約是質子品質的80倍左右——8萬MeV/c^2。粒子實體标準模型預計W玻色子品質應為80357+/-6 MeV/c^2。CDF合作組的最新結果顯示其品質測量值為80433+/-9 MeV/c2，新的測量值比之前所有測量值都更精确，比标準模型的預測高出近 77 MeV/c^2。盡管這些數字的差異隻有千分之一左右，但每個數字的不确定性都非常小，以至于即使是這種微小的差異也具有巨大的統計意義——這不太可能是純粹偶然産生的。

圖2. 圖中展示了不同的實驗組對W玻色子品質的測量結果和精度。灰色豎條代表粒子實體标準模型理論值及其誤差範圍（豎條寬度），紅球和紅線代表了各個實驗組的測量平均值及誤差範圍。可以明顯看出，之前相關測量結果的誤差範圍都比CDF II的大。丨圖源：參考資料1

但是，粒子實體學界的興奮情緒被一種審慎态度所中和。盡管費米實驗室CDF II的結果是迄今為止對 W 玻色子品質最為精确的測量，但它與先前另外兩個獨立的、接近符合粒子實體标準模型的實驗的測量結果不一緻（參見和比較圖2中最下面的三個實驗結果：D0II, ATLAS,CDF II）。

“這不是我們期待的差異，”歐洲核子研究中心的實驗實體學家馬泰因·穆爾德斯（Martijn Mulders）說，他沒有參與費米實驗室的這項新研究，但在《科學》雜志上共同撰寫了一篇相關評論。“這非常出乎意料……因為突然間他們鋸掉了支撐整個粒子實體學架構的一根支柱。”

“這會惹惱一些人”，劍橋大學的理論實體學家本·阿拉納赫（Ben Allanach）教授說。

“我們需要知道到底發生了什麼。我們還有另外兩個實驗與标準模型一緻并且與這個實驗的結果很不一緻，這讓我感到疑惑。”

挖掘資料

要測量W玻色子的品質，必須要有一個粒子對撞機。Tevatron 運作于1983 年到 2011 年，是一個長達6.3公裡的環形裝置，質子以高達 2 TeV的能量撞擊反質子，這一能量大約是 W 玻色子品質的 25 倍。處于環路上的CDF探測器從2002年開始運作直到Tevatron關閉，在這些碰撞中尋找W玻色子的迹象。

人們不能直接觀測到W玻色子，它衰變成其它粒子的速度太快，任何探測器都無法直接捕捉到它。實體學家是通過研究其衰變産物——主要是電子和μ子——來推斷它的存在和性質。仔細計算後，CDF合作團隊發現實驗資料中約有400萬個事件可以歸因于W玻色子衰變。通過測量這些事件中的電子和μ子的能量，實體學家們反推出W玻色子最初有多少能量，即其品質。

該研究的通訊作者、CDF的發言人阿舒托什·科特瓦爾（Ashutosh Kotwal）說，由于資料存在諸多不确定性，這項工作花了十年時間才完成。為了達到其前所未有的精度水準——是先前由 ATLAS 合作進行的 W 玻色子品質的最佳單次實驗測量精度的兩倍——CDF 團隊将他們的資料集增加了四倍。其中包括對質子和反質子碰撞進行模組化，并對已經退役探測器的運作進行新的、更徹底的檢查——甚至用以往宇宙射線資料展示到微米量級來排除對實驗資料的影響。

實驗可信度

細微異常比比皆是，不過絕大多數隻是由實驗産生和記錄的大量事件所引起的統計上的資料漲落。在這種情況下，當收集到更多的資料時，這些随機異常現象就會消失。不過，這一最新的W玻色子品質值的異常現象似乎并不是統計上的漲落，因為關于其測量已有大量高品質的資料，而且對該品質的理論預言值的不确定性非常低。CDF實驗合作組非常謹慎。為了最大限度地減少人為偏見，該實驗是“雙盲”的，這意味着分析資料的實體學家在他們的工作完成之前，對實驗結果一無所知。阿舒托什·科特瓦爾說，當CDF在2020年11月向團隊成員透露W玻色子品質的測量值時，“那是一個令人激動的時刻。”“我們明白這個數字的意義。”之後，研究結果又經過了幾輪同行評審。不過，科普作家丹尼爾·加裡斯托（Daniel Garisto）認為這隻是說明實體學家們得到了實驗測定的精确結果，而并不一定意味着他們發現了新的實體學。

新實體

近來，實體學家不再把重點放在完善粒子實體标準模型的細節上，而是更多地關注它的可能失敗之處——例如，它沒有将引力、暗物質、中微子品質或其它一些令人困惑的現象（包括暗物質、暗能量等）納入其中。實體學家們認為，發現粒子實體标準模型與實驗觀測結果不符或偏離的地方，是尋找“新實體”的有效途徑。在CDF得出結果之前，突破标準模型最有希望的候選者包括費米實驗室μ子 g-2實驗和歐洲核子研究中心LHCb（大型強子對撞機）實驗結果中發現的偏離。

毫無疑問，CDF得到的這一異常結果值得重視，它将W玻色子的品質測量提升到統計顯著性的高度：用統計學的說法，接近7個标準差。這裡7個标準差意味着，如果沒有新的實體學影響到W玻色子的品質，那麼起碼與觀測到的誤差一樣大的誤差仍然會産生于實驗運作的8000億次當中，幾率非常之小。即使是在習慣了天文數字的實驗粒子實體學領域，這似乎也有點過于突兀：該領域統計意義的“黃金标準”門檻值隻有5個标準差，這相當于每350萬次運作中出現一次偶然的給定效應。實在地說，7個标準偏差的與理論值不同的精确實測結果意味着CDF合作團隊所得到的結果并非偶然，更有待再獨立核實驗證和進一步深入研究。

要确定W品質值異常的來源，還需要來自其它實驗的證明。“這是一個非常驚人的結果，”ATLAS的實體協調員歸尤姆·于納勒（Guillaume Unal，他沒有參與這項新研究）說：“這是一個非常複雜和具有挑戰性的測量方法，以良好的準确性來真正檢驗粒子實體标準模型。”ATLAS目前正在努力改進對W品質的測量，于納勒表示，使用LHC第二次運作（于2018年結束）的資料，可能會使他們接近CDF的W品質測量精度。

與此同時，理論家們将抓住這個新結果，提出無數種可能的解釋。盡管大型強子對撞機已經排除了許多超對稱（SUSY）理論的可能性。“當然，大型強子對撞機的限定變得越來越嚴格，”波蘭科學院尼古拉斯·哥白尼天文中心的理論實體學家馬尼馬拉·查克拉博爾蒂（Manimala Chakraborti）說， “但是，你仍然可以發現 SUSY 所允許的參數空間。”

非超對稱标準模型擴充的一個例子是修改希格斯項——在希格斯項中加入一個附加标量場，該标量場沒有标準模型中的規範互相作用。這種模型預測的品質偏移可能高達100MeV/c2，其偏移取決于附加标量粒子的品質及與希格斯玻色子的互相作用。

諸如“暗光子”、弱互相作用中宇稱守恒的恢複、希格斯玻色子可能的複合性質和希格斯玻色子互相作用的模型無關修正等也都是理論上可能的解釋。

注：中原標準時間4月9日早上5時，美國CDF國際合作組将召開W玻色子品質測量實驗結果的新聞釋出會，有意者可關注：

https://fnal.zoom.us/j/93590155647?pwd=RmNQK0R0bVZPWERUMVBOS3VlUEIxZz09

參考資料

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

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

3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0101

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

5.https://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2018/feb/20/how-much-mass-does-the-w-boson-have

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

7.https://www.sciencenews.org/article/w-boson-particle-mass-standard-model-physics

8.https://bigthink.com/starts-with-a-bang/hole-in-the-standard-model/

9. https://www.bbc.com/news/science-environment-60993523

10. https://www.scientificamerican.com/article/elementary-particles-unexpected-heft-stuns-physicists/

直播預告：W品質研讨會

為促進中國高能實體同行與國際同行的學術交流，清華大學高能實體研究中心、清華大學實體系、南京師範大學實體與科學技術學院将于4月14日聯合主辦“W品質研讨會”。CDF合作組該實體分析負責人美國杜克大學教授Ashutosh V. Kotwal，美國匹茲堡大學教授韓濤，以及相關的理論和實驗學家們将參加研讨會，對此結果展開充分的讨論。

本次研讨會将采取線上線下相結合的方式。兩個線下會場分别設在清華實體系鄭裕彤大講堂和南師物科院行健樓437會議室，清華大學高能實體研究中心主任王青教授和南京師範大學肖振軍教授主持研讨會的理論和讨論部分；CDF合作組成員、南京師範大學教授、清華大學通路教授易凱将在鄭裕彤講堂主持研讨會實驗部分。線上zoom會議室将屆時由《返樸》在微信視訊号同步直播。

會議時間：中原標準時間 2022年4月14日 8:00-12:00

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