新實體烏雲再現？
20世紀初，實體學已經發展到了非常完美的程度。但是，經典實體大廈上空飄浮的兩朵小小的烏雲，卻最終發展成為一場推倒大廈的風暴，并促成了相對論和量子力學的建立。百年之後，2021 年 4 月 7 日上午，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）公布了缪子 g-2 實驗組對于缪子反常磁矩的首個測量結果，瞬間掀起了人們對于實體學發展的新讨論。有人認為，這一發現将會進一步揭開新實體的面紗，但也不乏質疑的聲音。整整一年以後的2022年4月7日，費米實驗室再次釋出了一項新的實驗結果，又一次引發了實體界的大讨論：新實體烏雲真的要出現了嗎？
圖1，4月8日《科學》雜志封面新聞
中原標準時間2022年4月8日淩晨（芝加哥當地時間4月7日），費米實驗室的CDF國際合作組通過全球多家媒體同步釋出了W玻色子品質測量的迄今最精确結果，比粒子實體标準模型的預期值偏高7個标準偏差。該研究成果以封面文章發表在4月8日《科學（Science）》雜志正刊上（圖1）。
标準模型與W玻色子
粒子實體标準模型理論描述了組成所有物質的61種基本粒子，也闡釋了它們之間的三種基本互相作用——電磁力、弱力和強力，是實體學最基本的理論之一。根據标準模型，互相作用力是通過基本粒子來傳遞的，比如帶電粒子之間的電磁力是通過光子來傳遞的，其力程無限遠。強力是誇克間通過膠子傳遞的，弱力則是由W、Z等叫作中間玻色子的粒子來傳遞的，力程極小（小于10^-17米），而且力很弱，僅為電磁力的萬分之一左右。W玻色子正是借用了Weak force（弱力）的首字母來命名的。
圖2，标準模型 (Credit: TriTertButoxy/Stannered at English Wikipedia)
W玻色子另一神奇的特征是，不同于傳遞電磁力的零品質光子，它居然有品質。而且，W的品質直接影響了費米常數，它決定了太陽中心聚變過程的速率，如果這過程太快了，恐怕地球上就沒有足夠時間演化出人類。
上世紀中葉，格拉肖（Sheldon L. Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）統一了弱力和電磁力，并是以獲得了1979年諾貝爾實體學獎。與此同時，實驗粒子實體學家們一直希望能在高能實驗中尋找到W玻色子，但由于它的品質較重，需要能量足夠高的加速器，才容易從複雜的實驗資料中觀測到蹤迹。這項努力一直延續到1983年，在歐洲核子中心（CERN）的超級質子同步加速器（Super Proton Synchrotron）上，魯比亞（Carlo Rubbia）和範德梅爾（Simon van der Meer）等人帶領UA1和UA2合作組，終于在實驗上發現了W玻色子和Z玻色子存在的證據，并于次年獲得諾貝爾實體學獎。
W品質怎麼測，為啥這麼難測？
W玻色子的品質是質子品質的80倍左右，大約8萬MeV/c^2(1 MeV/c^2=1.783*10^-30 kg)，它是标準模型的一個重要參數。對其數值的精确測量一直是檢驗标準模型和探測新實體的重要手段之一。位于歐洲核子中心的大型正負電子對撞機（LEP）上的ALEPH實驗、DELPHI實驗、L3實驗、OPAL實驗，大型強子對撞機（LHC）上的ATLAS實驗、LHCb實驗，以及位于美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）上的CDF實驗、D0實驗等都對W玻色子的品質進行過測量（圖3）。
圖3，W玻色子品質的各實驗測量與理論預測範圍
在對撞機實驗中，粒子實體學家通常是通過研究高能粒子的衰變産物來測量它們的品質。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過程中會伴随産生一個看不見的中微子，這給精确測量W玻色子的品質帶來了巨大的困難。多年來，其測量精度（誤差）一直在幾十個MeV/c^2量級（如圖3所示），最好的單個實驗的精度也在二十個MeV/c^2左右。這與W玻色子的姐妹粒子——Z玻色子的品質測量精度（2 MeV/c^2）形成了極大的反差。實驗粒子實體工作者們為此進行了長時間的努力。
圖4，CDF探測器， 費米的老加速器Tevatron是LHC之前的最高能加速器（1985-2011）
美國費米實驗室的Tevatron曾為世界上最大的對撞機，在Tevatron裡，質子和反質子被加速到它們的靜止品質的1000倍，然後發生碰撞，進而大量産生W玻色子。CDF（Collider Detector at Fermilab）是Tevatron上的一個通用型粒子探測器，粒子實體實驗學家們通過研究CDF探測到的W玻色子衰變産生的帶電輕子的信号來計算W玻色子的品質。他們經過十年的不懈努力發展出了一套新的資料分析方法，利用CDF二期運作期間收集的所有資料首次将W玻色子的品質的精度降低到了個位數字——9 MeV/c^2。這一結果的精度達到了0.01%，超越了之前任何一個實驗的精度，也超越了之前所有試驗結果的權重綜合精度，對标準模型的檢驗達到了一個新的裡程碑。
新實體真的要來了嗎？
為什麼科學家們認為W玻色子品質的偏差暗示着新實體的存在？
在粒子實體标準模型中，W玻色子的品質通過内部對稱性和标準模型中的其他參數緊密聯系在一起。粒子理論學家可以通過已經測得的希格斯玻色子的品質、Z玻色子的品質、頂誇克的品質、缪子的壽命計算出W玻色子的品質。最新計算給出W玻色子的品質為80357±6 MeV/c^2（如圖3中灰色部分所示）。而CDF合作組的最新測量結果（目前最精确的結果）顯示其W品質測量值為80433.5±9.4 MeV/c^2（圖3中CDF II所展示的結果）。二者之間存在着7個标準偏差。也就是說在标準模型的預言是正确的情況下，CDF實驗觀測到這樣的實驗結果的可能性僅為大概10^-12。如果CDF的最新結果是正确的，那麼在标準模型的架構下W玻色子的品質和以前測得的Z玻色子的品質、頂誇克的品質、希格斯玻色子的品質還有缪子的壽命是不相容的。
這意味着粒子實體标準模型并不完備，需要引進新實體的修正。但是這種新實體的修正往往有很多的可能性。是以，我們需要進一步的實驗來檢驗這些新實體的模型。
圖5 ，LHC 的 ATLAS 探測器. (圖檔源自 CERN)
需要注意的是，從圖3我們可以看到，CDF最新的結果和ATLAS的測量結果也存在大約3個标準差的偏差，而ATLAS的結果和标準模型的結果在一個标準差之内是吻合的。是以，标準模型對W玻色子的品質的預言是否有偏差也還需要其他的實驗進一步檢驗。中國參與的大型強子對撞機上的ATLAS實驗、CMS實驗、LHCb實驗正在進行相關的研究。規劃中的環形正負電子對撞機（CEPC）、未來環形對撞機（FCC）等，将能夠對W玻色子的品質做更為精細的測量，進一步檢測标準模型計算是否需要被修改或擴充。
圖6，CEPC設計示意圖
參考連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/
https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics
http://hep.tsinghua.edu.cn/news/20220408wmass.html
作者介紹
王青（右2），清華大學實體系教授，清華大學實體系粒子實體核實體天體實體研究所所長，清華大學高能實體研究中心主任。
易凱（左3），南京師範大學教授，清華大學通路教授。現為CDF、CMS、Belle II合作組成員，清華-南師CMS組負責人，長期從事B實體、強子實體及新實體研究等。
陳新（右1），清華大學實體系副教授，主要研究領域為希格斯實體、強子實體、長壽命粒子和暗物質粒子尋找等。ATLAS和FASER合作組成員。
安海鵬（左1），清華大學實體系副教授，主要從事粒子實體和宇宙學方向的理論研究。
胡震（左2），清華大學實體系副教授，主要研究領域為強子實體、新實體尋找和探測器電子學研發等。現為CMS和FASER合作組成員。
編輯：花明
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來源：現代實體知識雜志
編輯：雲開葉落