新物理烏云再現(xiàn)？

20世紀(jì)初，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了非常完美的程度。但是，經(jīng)典物理大廈上空飄浮的兩朵小小的烏云，卻最終發(fā)展成為一場(chǎng)推倒大廈的風(fēng)暴，并促成了相對(duì)論和量子力學(xué)的建立。百年之后，2021 年 4 月 7 日上午，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）公布了繆子 g-2 實(shí)驗(yàn)組對(duì)于繆子反常磁矩的首個(gè)測(cè)量結(jié)果，瞬間掀起了人們對(duì)于物理學(xué)發(fā)展的新討論。有人認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步揭開新物理的面紗，但也不乏質(zhì)疑的聲音。整整一年以后的2022年4月7日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室再次發(fā)布了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又一次引發(fā)了物理界的大討論：新物理烏云真的要出現(xiàn)了嗎？

北京時(shí)間2022年4月8日凌晨（芝加哥當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月7日），費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF國(guó)際合作組通過全球多家媒體同步發(fā)布了W玻色子質(zhì)量測(cè)量的迄今最精確結(jié)果，比粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期值偏高7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。該研究成果以封面文章發(fā)表在4月8日《科學(xué)（Science）》雜志正刊上（圖1）。

標(biāo)準(zhǔn)模型與W玻色子

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論描述了組成所有物質(zhì)的61種基本粒子，也闡釋了它們之間的三種基本相互作用——電磁力、弱力和強(qiáng)力，是物理學(xué)最基本的理論之一。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，相互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(yuǎn)。強(qiáng)力是夸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，標(biāo)準(zhǔn)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質(zhì)量光子，它居然有質(zhì)量。而且，W的質(zhì)量直接影響了費(fèi)米常數(shù)，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(shí)間演化出人類。

上世紀(jì)中葉，格拉肖（Sheldon L. Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）統(tǒng)一了弱力和電磁力，并因此獲得了1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家們一直希望能在高能實(shí)驗(yàn)中尋找到W玻色子，但由于它的質(zhì)量較重，需要能量足夠高的加速器，才容易從復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中觀測(cè)到蹤跡。這項(xiàng)努力一直延續(xù)到1983年，在歐洲核子中心（CERN）的超級(jí)質(zhì)子同步加速器（Super Proton Synchrotron）上，魯比亞（Carlo Rubbia）和范德梅爾（Simon van der Meer）等人帶領(lǐng)UA1和UA2合作組，終于在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了W玻色子和Z玻色子存在的證據(jù)，并于次年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

W質(zhì)量怎么測(cè)，為啥這么難測(cè)？

W玻色子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的80倍左右，大約8萬()，它是標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)其數(shù)值的精確測(cè)量一直是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型和探測(cè)新物理的重要手段之一。位于歐洲核子中心的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）上的ALEPH實(shí)驗(yàn)、DELPHI實(shí)驗(yàn)、L3實(shí)驗(yàn)、OPAL實(shí)驗(yàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的ATLAS實(shí)驗(yàn)、LHCb實(shí)驗(yàn)，以及位于美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）上的CDF實(shí)驗(yàn)、D0實(shí)驗(yàn)等都對(duì)W玻色子的質(zhì)量進(jìn)行過測(cè)量（圖3）。

圖3，W玻色子質(zhì)量的各實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)測(cè)范圍

在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，粒子物理學(xué)家通常是通過研究高能粒子的衰變產(chǎn)物來測(cè)量它們的質(zhì)量。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過程中會(huì)伴隨產(chǎn)生一個(gè)看不見的中微子，這給精確測(cè)量W玻色子的質(zhì)量帶來了巨大的困難。多年來，其測(cè)量精度（誤差）一直在幾十個(gè)量級(jí)（如圖3所示），最好的單個(gè)實(shí)驗(yàn)的精度也在二十個(gè)左右。這與W玻色子的姐妹粒子——Z玻色子的質(zhì)量測(cè)量精度（2 ）形成了極大的反差。實(shí)驗(yàn)粒子物理工作者們?yōu)榇诉M(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的努力。

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron曾為世界上最大的對(duì)撞機(jī)，在Tevatron里，質(zhì)子和反質(zhì)子被加速到它們的靜止質(zhì)量的1000倍，然后發(fā)生碰撞，從而大量產(chǎn)生W玻色子。CDF（Collider Detector at Fermilab）是Tevatron上的一個(gè)通用型粒子探測(cè)器，粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家們通過研究CDF探測(cè)到的W玻色子衰變產(chǎn)生的帶電輕子的信號(hào)來計(jì)算W玻色子的質(zhì)量。他們經(jīng)過十年的不懈努力發(fā)展出了一套新的數(shù)據(jù)分析方法，利用CDF二期運(yùn)行期間收集的所有數(shù)據(jù)首次將W玻色子的質(zhì)量的精度降低到了個(gè)位數(shù)字——9 。這一結(jié)果的精度達(dá)到了0.01%，超越了之前任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)的精度，也超越了之前所有試驗(yàn)結(jié)果的加權(quán)綜合精度，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)達(dá)到了一個(gè)新的里程碑。

新物理真的要來了嗎？

為什么科學(xué)家們認(rèn)為W玻色子質(zhì)量的偏差暗示著新物理的存在？

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，W玻色子的質(zhì)量通過內(nèi)部對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他參數(shù)緊密聯(lián)系在一起。粒子理論學(xué)家可以通過已經(jīng)測(cè)得的希格斯玻色子的質(zhì)量、Z玻色子的質(zhì)量、頂夸克的質(zhì)量、繆子的壽命計(jì)算出W玻色子的質(zhì)量。最新計(jì)算給出W玻色子的質(zhì)量為80357±6 （如圖3中灰色部分所示）。而CDF合作組的最新測(cè)量結(jié)果（目前最精確的結(jié)果）顯示其W質(zhì)量測(cè)量值為80433.5±9.4 （圖3中CDF II所展示的結(jié)果）。二者之間存在著7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。也就是說在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言是正確的情況下，CDF實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性僅為大概。如果CDF的最新結(jié)果是正確的，那么在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架下W玻色子的質(zhì)量和以前測(cè)得的Z玻色子的質(zhì)量、頂夸克的質(zhì)量、希格斯玻色子的質(zhì)量還有繆子的壽命是不相容的。

這意味著粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型并不完備，需要引進(jìn)新物理的修正。但是這種新物理的修正往往有很多的可能性。因此，我們需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些新物理的模型。

需要注意的是，從圖3我們可以看到，CDF最新的結(jié)果和ATLAS的測(cè)量結(jié)果也存在大約3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的偏差，而ATLAS的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)是吻合的。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)W玻色子的質(zhì)量的預(yù)言是否有偏差也還需要其他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。中國(guó)參與的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS實(shí)驗(yàn)、CMS實(shí)驗(yàn)、LHCb實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。規(guī)劃中的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）、未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）等，將能夠?qū)玻色子的質(zhì)量做更為精細(xì)的測(cè)量，進(jìn)一步檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算是否需要被修改或擴(kuò)展。

圖6，CEPC設(shè)計(jì)示意圖

審核編輯 ：李倩