新物理烏云再現？

20世紀初，物理學已經發展到了非常完美的程度。但是，經典物理大廈上空飄浮的兩朵小小的烏云，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。百年之后，2021 年 4 月 7 日上午，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）公布了繆子 g-2 實驗組對于繆子反常磁矩的首個測量結果，瞬間掀起了人們對于物理學發展的新討論。有人認為，這一發現將會進一步揭開新物理的面紗，但也不乏質疑的聲音。整整一年以后的2022年4月7日，費米實驗室再次發布了一項新的實驗結果，又一次引發了物理界的大討論：新物理烏云真的要出現了嗎？

北京時間2022年4月8日凌晨（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發布了W玻色子質量測量的迄今最精確結果，比粒子物理標準模型的預期值偏高7個標準偏差。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）。

標準模型與W玻色子

粒子物理標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相互作用——電磁力、弱力和強力，是物理學最基本的理論之一。根據標準模型，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。強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質量光子，它居然有質量。而且，W的質量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，并因此獲得了1979年諾貝爾物理學獎。與此同時，實驗粒子物理學家們一直希望能在高能實驗中尋找到W玻色子，但由于它的質量較重，需要能量足夠高的加速器，才容易從復雜的實驗數據中觀測到蹤跡。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）和范德梅爾（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物理學獎。

W質量怎么測，為啥這么難測？

W玻色子的質量是質子質量的80倍左右，大約8萬()，它是標準模型的一個重要參數。對其數值的精確測量一直是檢驗標準模型和探測新物理的重要手段之一。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玻色子的質量進行過測量（圖3）。

圖3，W玻色子質量的各實驗測量與理論預測范圍

在對撞機實驗中，粒子物理學家通常是通過研究高能粒子的衰變產物來測量它們的質量。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過程中會伴隨產生一個看不見的中微子，這給精確測量W玻色子的質量帶來了巨大的困難。多年來，其測量精度（誤差）一直在幾十個量級（如圖3所示），最好的單個實驗的精度也在二十個左右。這與W玻色子的姐妹粒子——Z玻色子的質量測量精度（2 ）形成了極大的反差。實驗粒子物理工作者們為此進行了長時間的努力。

美國費米實驗室的Tevatron曾為世界上最大的對撞機，在Tevatron里，質子和反質子被加速到它們的靜止質量的1000倍，然后發生碰撞，從而大量產生W玻色子。CDF（Collider Detector at Fermilab）是Tevatron上的一個通用型粒子探測器，粒子物理實驗學家們通過研究CDF探測到的W玻色子衰變產生的帶電輕子的信號來計算W玻色子的質量。他們經過十年的不懈努力發展出了一套新的數據分析方法，利用CDF二期運行期間收集的所有數據首次將W玻色子的質量的精度降低到了個位數字——9 。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加權綜合精度，對標準模型的檢驗達到了一個新的里程碑。

新物理真的要來了嗎？

為什么科學家們認為W玻色子質量的偏差暗示著新物理的存在？

在粒子物理標準模型中，W玻色子的質量通過內部對稱性和標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質量、Z玻色子的質量、頂夸克的質量、繆子的壽命計算出W玻色子的質量。最新計算給出W玻色子的質量為80357±6 （如圖3中灰色部分所示）。而CDF合作組的最新測量結果（目前最精確的結果）顯示其W質量測量值為80433.5±9.4 （圖3中CDF II所展示的結果）。二者之間存在著7個標準偏差。也就是說在標準模型的預言是正確的情況下，CDF實驗觀測到這樣的實驗結果的可能性僅為大概。如果CDF的最新結果是正確的，那么在標準模型的框架下W玻色子的質量和以前測得的Z玻色子的質量、頂夸克的質量、希格斯玻色子的質量還有繆子的壽命是不相容的。

這意味著粒子物理標準模型并不完備，需要引進新物理的修正。但是這種新物理的修正往往有很多的可能性。因此，我們需要進一步的實驗來檢驗這些新物理的模型。

需要注意的是，從圖3我們可以看到，CDF最新的結果和ATLAS的測量結果也存在大約3個標準差的偏差，而ATLAS的結果和標準模型的結果在一個標準差之內是吻合的。因此，標準模型對W玻色子的質量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，將能夠對W玻色子的質量做更為精細的測量，進一步檢測標準模型計算是否需要被修改或擴展。

圖6，CEPC設計示意圖

審核編輯 ：李倩