粒子物理标准模型是迄今最为成功的基本粒子理论,其描述了组成物质的所有已知基本粒子及它们之间的强力、弱力和电磁力三种基本相互作用。强力将夸克和核子等束缚在一起构成了原子核,电磁力将原子核和电子结合在一起构成了原子和分子,那弱力有什么作用呢?事实上,弱力是至关重要的,尤其是对像太阳这样的大质量天体而言。弱力的载体是 W 和 Z 玻色子,与电中性的 Z 玻色子不同的是,W 玻色子带有电荷。这意味着质子可以通过发射带正电的 W+ 玻色子而转变为中子(W+ 是 W- 的反粒子);四个氢核(即质子)可以挤压融合在一起最终形成氦核。在这个氢核聚变可释放大量能量,从而维持太阳内部的燃烧。
W 玻色子于 1980 年代在欧洲核子研究中心(CERN – 法语:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire)的超级质子-反质子同步加速器中被发现。它的质量在大型电子正电子对撞机(LEP,LEPII,也在欧洲核子研究中心)、费米实验室的 Tevatron 质子-反质子对撞机及大型强子对撞机(LHC)的探测器 ATLAS 上都进行了测量。与粒子物理学标准模型中的其它基本粒子一样,W 玻色子的质量也源于 Brout-Englert-Higgs 机制,是粒子物理学标准模型的一个关键参数。正是对 W 玻色子质量的粗略测量,使得物理学家在 1990 年以合理的精度预测了顶夸克的质量。而后,利用 W 玻色子质量和顶夸克质量,研究人员对希格斯玻色子的质量做了类似的预测,并于 2012 年在 CERN 得到了实验证实。
在粒子物理学中,数据往往会比生成数据的探测器存留更长的时间。十年前,费米实验室重达 4100 吨的 CDF 探测器达到其使用期限并被关闭,其部件被拆解用于其它实验。现在,对旧 CDF 数据的新分析发现了 W 玻色子质量的惊人差异。由于 W 玻色子的衰变模式在实验上的探测困难,其质量测量精度一直停留在几十个 MeV/c^2 量级,最好的单个实验的精度也在二十个 MeV/c^2 左右。这与 W 玻色子的姊妹粒子—— Z 玻色子的质量测量精度(2 MeV/c^2)反差极大。实验粒子物理学家为了提高测量精度付出了长期的不懈努力。
此次,CDF 实验合作组利用其二期运行(Run II)期间收集的所有数据,对 W 玻色子的质量进行了目前为止最为精确的测量和评估,误差(包括统计误差和系统误差)首次降至个位数—— 9 MeV/c^2(图 2)。这一结果的精度达到了 0.01% ,超越了之前任何一个相关实验的精度,也超越了之前所有相关实验结果的加权综合精度,因此树立了用 W 玻色子质量的精确测量对标准模型进行检验的一个新的里程碑。在这样的测量精度下,CDF 实验合作组得到的 W 玻色子质量比粒子物理标准模型的理论预言值高了 7 个标准差(包括实验和理论误差)。
物理学家很早便知道 W 玻色子的近似质量,大约是质子质量的 80 倍左右—— 8 万MeV/c^2。粒子物理标准模型预计 W 玻色子质量应为 80357+/-6 MeV/c^2 。CDF 合作组的最新结果显示其质量测量值为 80433+/-9 MeV/c^2 ,新的测量值比之前所有测量值都更精确,比标准模型的预测高出近 77 MeV/c^2。尽管这些数字的差异只有千分之一左右,但每个数字的不确定性都非常小,以至于即使是这种微小的差异也具有巨大的统计意义——这不太可能是纯粹偶然产生的。
图 2. 图中展示了不同的实验组对 W 玻色子质量的测量结果和精度。灰色竖条代表粒子物理标准模型理论值及其误差范围(竖条宽度),红球和红线代表了各个实验组的测量平均值及误差范围。可以明显看出,之前相关测量结果的误差范围都比 CDF II 的大。丨图源:参考资料1
但是,粒子物理学界的兴奋情绪被一种审慎态度所中和。尽管费米实验室 CDF II 的结果是迄今为止对 W 玻色子质量最为精确的测量,但它与先前另外两个独立的、接近符合粒子物理标准模型的实验的测量结果不一致(参见和比较图 2 中最下面的三个实验结果:D0II, ATLAS,CDF II)。
要测量 W 玻色子的质量,必须要有一个粒子对撞机。Tevatron 运行于 1983 年到 2011 年,是一个长达 6.3 公里的环形装置,质子以高达 2 TeV 的能量撞击反质子,这一能量大约是 W 玻色子质量的 25 倍。处于环路上的 CDF 探测器从 2002 年开始运行直到 Tevatron 关闭,在这些碰撞中寻找 W 玻色子的迹象。
人们不能直接观测到 W 玻色子,它衰变成其它粒子的速度太快,任何探测器都无法直接捕捉到它。物理学家是通过研究其衰变产物——主要是电子和 μ 子——来推断它的存在和性质。仔细计算后,CDF 合作团队发现实验数据中约有 400 万个事件可以归因于 W 玻色子衰变。通过测量这些事件中的电子和 μ 子的能量,物理学家们反推出 W 玻色子最初有多少能量,即其质量。
该研究的通讯作者、CDF 的发言人阿舒托什·科特瓦尔(Ashutosh Kotwal)说,由于数据存在诸多不确定性,这项工作花了十年时间才完成。为了达到其前所未有的精度水平——是先前由 ATLAS 合作进行的 W 玻色子质量的最佳单次实验测量精度的两倍—— CDF 团队将他们的数据集增加了四倍。其中包括对质子和反质子碰撞进行建模,并对已经退役探测器的运行进行新的、更彻底的检查——甚至用以往宇宙射线数据展示到微米量级来排除对实验数据的影响。
实验可信度
细微异常比比皆是,不过绝大多数只是由实验产生和记录的大量事件所引起的统计上的数据涨落。在这种情况下,当收集到更多的数据时,这些随机异常现象就会消失。不过,这一最新的 W 玻色子质量值的异常现象似乎并不是统计上的涨落,因为关于其测量已有大量高质量的数据,而且对该质量的理论预言值的不确定性非常低。CDF 实验合作组非常谨慎。为了最大限度地减少人为偏见,该实验是“双盲”的,这意味着分析数据的物理学家在他们的工作完成之前,对实验结果一无所知。阿舒托什·科特瓦尔说,当 CDF 在 2020 年 11 月向团队成员透露 W 玻色子质量的测量值时,“那是一个令人激动的时刻。”“我们明白这个数字的意义。”之后,研究结果又经过了几轮同行评审。不过,科普作家丹尼尔·加里斯托(Daniel Garisto)认为这只是说明物理学家们得到了实验测定的精确结果,而并不一定意味着他们发现了新的物理学。