近日，美國費米國家加速器實驗室對撞機探測器(CDF)國際合作組的389位科學家共同完成了對W玻色子品質的最精确測量，測量結果比粒子實體标準模型的預期值偏高7個标準偏差，或指向新實體學領域。
圖檔來自《科學》(Science)
前述研究成果發表在《科學》(Science)封面。如果這一結果得到最終确認，将預示着實體學的最基本理論之一“粒子實體标準模型”理論需要被修改或擴充。
“粒子實體學研究的是我們的世界由哪些最基本的物質構成，并且如何構成的。”南京師範大學教授兼清華大學通路教授易凱向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者說道。
易凱現為CDF、CMS（歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的緊湊缪子螺線管實驗）、日本Belle II國際合作組成員，也是清華-南師CMS組負責人，長期從事粒子實體、強子實體及尋找超出标準模型的實體現象等。
粒子實體标準模型，圖檔來自Quanta Magazine
“這張‘圓盤’就是标準模型，上面每一個字母都表示一種粒子，并且這些粒子都是基本粒子，即内部沒有結構、無法分割的粒子。”易凱表示“圓盤”最外圈上方為六種誇克，下方為六種輕子，輕子包括人們所熟知的電子、μ介子、τ介子和它們相對應的中微子。“誇克和輕子構成了我們的物質世界，例如，常見的質子和中子由兩種不同類型的三個誇克構成。其中，中微子與其他物質之間的互相作用非常小，可以穿透物質。”
中間一圈的四種基本粒子分别為光子、膠子、W玻色子、Z玻色子。“它們是傳遞互相作用的粒子。其中，光子是傳遞電磁互相作用的粒子，它是沒有品質的。膠子負責傳遞強互相作用。而傳遞弱互相作用的粒子就是W玻色子和Z玻色子，這兩種粒子是很重的。”易凱說道。
“圓盤最中心的是希格斯玻色子，也被稱做“上帝粒子”，2012年在CMS和ATLAS（即歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的實驗）兩個實驗中同時發現的。希格斯玻色子賦予了其他基本粒子的品質。而這些粒子之間是如何互相作用的，就解釋了世界的構成，并形成了一個系統，這個系統就是‘标準模型’。”易凱表示W玻色子的品質可以從這一系統中推算出來。
多年來，科學家一直在通過各種方式檢測标準模型是否正确，嘗試找到新的突破。W玻色子的品質作為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超出标準模型的現象的重要手段之一。
由于W玻色子的衰變模式在實驗上重建的困難，其測量精度（誤差）一直在幾十個MeV（兆電子伏特）量級，此前最佳的單個實驗精度也在二十個MeV左右。這與W玻色子的“姐妹”粒子——Z玻色子的品質精度2MeV形成了極大的反差。實驗粒子實體工作者為此進行了長時間的不懈努力。MeV是粒子實體上使用的一種品質機關，以質子為例，質子大約為938MeV。
但此前對W玻色子品質的多項測量基本都符合标準模型理論。“這有可能是因為之前的測量精度不夠，這一次CDF合作組對W玻色子品質的測量精度很高，達到了0.01%。”易凱說道。
費米國家加速器實驗室的對撞機探測器(CDF)，圖檔來自費米國家加速器實驗室
據了解，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和其他産物的資訊來測量W玻色子的品質。
CDF合作組經過十年的時間對收集的資料進行了非常細緻的校準和分析，利用CDF二期運作期間收集的所有資料，對W玻色子的品質進行了目前世界上最為精确的測量，首次将誤差（包括統計誤差和系統誤差）降低至個位數，即9MeV。在粒子實體标準模型中，預期的W玻色子品質應為80357+/-6MeV。而此次測量結果顯示其品質測量值為80434+/-9MeV，超出了标準模型的預期值。
W玻色子品質的各實驗測量與理論預測範圍，圖檔來自Science論文
前述研究實作了0.01%的檢測精度，超越了此前所有單個實驗的精度，也超越了此前所有實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。在這一精度下，CDF合作組所測量的W玻色子品質比标準模型的計算值高了七個标準偏差（包括實驗和理論誤差），挑戰目前的标準模型。這意味着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的負十二次方。
“如果這一結果是正确的，就預示着我們的标準模型并不完美。”易凱解釋道，“這存在兩種可能，一種可能性是我們需要去修正标準模型中的計算，完善這一系統。另一種可能性是标準模型需要擴充，比如這個模型還有未被發現的基本粒子或者未被發現的基本作用力。而這些都指向新的實體現象。”
來自歐洲核子研究中心的大型強子對撞機ATLAS實驗項目實體學家Guillaume Unal則表示“希望看到另一項獨立的測量來證明CDF合作組的測量結果。”
對此，南京師範大學、清華大學、中科院高能實體研究所、北京大學聯合發起并主辦了4月14日的“W品質研讨會”。除CDF實驗之外，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）上的多個實驗、美國費米實驗室的D0實驗都做過W玻色子的品質測量和其他性質研究。各實驗的參會者共同探讨了W玻色子研究的現狀和未來。
“W品質研讨會”線上線下參會者在清華實體系講堂合影
目前，ATLAS和LHCb（大型強子對撞機上底誇克探測器實驗）的合作組成員已在改進對W玻色子品質的分析。歐洲核子研究中心的另一實驗CMS也可以測量W粒子的品質大小。
“CDF這項結果目前隻是一個實驗的結果，尚需别的實驗驗證。另外它與目前世界上第二精确的測量即ATLAS實驗的測量結果也不一緻。”易凱表示CMS合作組現在測量帶電粒子都是全部使用矽探測器，分辨率會比CDF合作組當年的更好。
而談及在CDF合作組的經曆，易凱表示從探測器的建造、電子裝置的調控到控制室資料的擷取、校準、重建，以及進行實體分析得到最終結果，這一過程是漫長而艱辛的，需要合作組的協作。比如易凱就曾兩次作為矽探測器值班專家擷取資料，一次在2001年，曆時三個多月，另一次在2009年到2010年，曆時一年多。“CDF合作組最鼎盛時期有700多位成員，後來名單就固定在400位左右。”Tevatron在2011年停止運作之後，CDF合作組中Ashutosh Kotwal上司的小組對資料進行了更細緻地校準和更深入地分析，并經過合作組内部嚴謹稽核，耗時十多年最終将論文發表出來。
未來，更多國際合作組的測量将驗證CDF合作組的結果，并将進一步檢驗目前的标準模型。