新测量的粒子可能会打破我们对已知物理的认知

　　对W玻色子的新分析表明，这些粒子比粒子物理学标准模型预测的要重得多。
　　插图：SAMUEL VELASCO/QUANTA MAGAZINE
　　W玻色子是已知的17个基本粒子之一，其奇怪的重量可能指向未知的粒子或力。
　　物理学家发现一个名为W玻色子的基本粒子似乎太重了0.1%——这个微小的差异可能预示着基础物理学的巨大变化。
　　4月7日，该测量结果发表在《科学》杂志上，来自伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的老式粒子对撞机，十年前粉碎了其最后的质子。Fermilab（CDF）合作的对撞机探测器的大约400名成员继续分析对撞机Tevatron产生的W玻色子，追逐无数的误差源，以达到无与伦比的精度水平。
　　如果W相对于标准理论预测的过剩重量可以独立确认，该发现将意味着存在未发现的粒子或力，并将导致半个世纪以来量子物理学定律的首次重大改写。
　　马德里理论物理研究所的物理学家Sven Heinemeyer表示：＂这将是我们看待世界方式的彻底改变＂，甚至可能与2012年发现的希格斯玻色子相媲美。
　　这一发现正值物理界渴望粒子物理学标准模型的缺陷，粒子物理学是捕获所有已知粒子和力的长期统治方程组。众所周知，标准模型是不完整的，留下了各种宏伟的未解谜团，例如暗物质的本质。CDF合作的良好记录使其新结果对标准模型构成可信的威胁。
　　单独进行的新W玻色子质量测量与标准模型的预测截然不同。
　　例如，2017年，欧洲大型强子对撞机的ATLAS实验测量了W粒子的质量，发现它只是比标准模型所说重一点点。CDF和ATLAS之间的冲突表明，一个或两个群体都忽略了他们实验中的一些微妙。
　　弱玻色子
　　W玻色子与Z玻色子一起介导弱力，弱力是宇宙的四种基本力之一。与重力、电磁和强力不同，弱力与其说是推或拉，不如说是将较重的粒子转化为较轻的粒子。例如，μ子自发衰变为W玻色子和中微子，然后W成为电子和另一个中微子。相关的亚原子形状转变会导致放射性，并有助于保持阳光照射。
　　在过去的40年里，各种实验测量了W和Z玻色子的质量。事实证明，W玻色子的质量是一个特别诱人的目标。虽然其它粒子质量必须简单地测量并接受为自然事实，但W玻色子质量可以通过在标准模型方程中结合其他一些可测量的量子属性来预测。
　　几十年来，费米实验室和其他地方的实验人员一直在利用围绕W玻色子的连接网络来试图检测其它粒子。一旦研究人员准确测量了影响W粒子质量最深的术语——例如电磁力的强度和Z玻色子的质量——他们就可以开始感觉到拉动其质量的较小影响。
　　这种方法让物理学家在20世纪90年代预测一种叫做顶夸克的粒子的质量，该粒子推动了W玻色子的质量，就在1995年最高夸克发现之前。他们在21世纪初重复了这一壮举，在发现希格斯玻色子之前预测其质量。
　　但是，尽管理论物理学家们有各种理由期望最高夸克和希格斯的存在，并通过标准模型的方程与W玻色子相连，但今天该理论显然没有缺失的部分。W玻色子质量的任何剩余差异都将指向未知。
　　W玻色子
　　CDF的新质量测量基于对2002年至2011年期间Tevatron生产的约400万瓦玻色子的分析。当Tevatron将质子撞击成反质子时，随后的骚动中经常弹出W玻色子。然后，W可以衰变成中微子和μ子或电子，两者都可以直接检测。μ子或电子的速度越快，产生它的W玻色子就越重。
　　Ashutosh Kotwal是杜克大学的物理学家，也是CDF合作最近分析的推动力，他的职业生涯致力于完善该计划。W玻色子实验的核心是一个圆柱形室，里面装满了30,000根高压电线，当μ子或电子飞过它们时，这些电线会发生反应，使CDF研究人员能够推断粒子的路径和速度。了解每根电线的确切位置对于获得准确的轨迹至关重要。在新的分析中，Kotwal和他的同事利用了从天而降的μ子作为宇宙射线。这些子弹状颗粒 不断以几乎完美的直线撕裂探测器，让研究人员检测到任何摇摇晃晃的电线，并将电线的位置固定在1微米以内。
　　他们还花了几年时间在数据发布之间进行详尽的交叉检查，以独立的方式重复测量，以建立信心，了解Tevatron的每个特质。一直以来，W玻色子测量堆积得越来越快。CDF的最后一次分析，是2012年发布涵盖了Tevatron头五年的数据。在接下来的四年里，数据翻了两番。
　　图片来源：FERMILAB
　　CDF探测器是位于Tevatron粒子加速器4英里环周围不同点的两个实验之一，在2001年安装。
　　在2020年11月的Zoom会议上，Kotwal按下按钮解密了团队的结果（他们处理了加密数据，以便数字不会影响他们的分析）。
　　物理学家们吸收了答案，沉默消失了。他们发现W玻色子重8043亿电子伏特（MeV），给予或接受9 MeV。这使得它比标准模型预测的要重76 MeV，差异大约是测量或预测误差幅度的七倍。
　　这种＂七西格玛＂差异高于物理学家通常必须清除才能最终发现的五西格玛水平。
　　Fermilab的理论物理学家Chris Quigg没有参与这项研究，他表示：＂这不是一项发现，而是一种挑衅＂。＂现在有理由接受这个异常值＂。（此处已添加书籍卡片，请到今日头条客户端查看）
　　实验冲突
　　理论家们不禁思考超大的W玻色子可能意味着什么。
　　当μ子在衰变成电子时短暂发射W玻色子时，该中间W玻色子可以与其它粒子相互作用，甚至是未被发现的粒子。正是这种与未知的兄弟情谊可能会扭曲W玻色子的质量。
　　重W玻色子可能是由于第二个希格斯玻色子，可能是由于介导弱力变体的新的大质量玻色子，或者由多个粒子组成的＂复合＂希格斯，并配有一种新的力将它们结合在一起。
　　一些理论物理学家怀疑 由 一个长期研究的被称为超对称的理论预测的粒子。该框架将物质粒子和携带力的粒子联系起来，为每个已知粒子假设一个未发现的相反类型的伙伴。在＂超级合作伙伴＂未能在LHC实现后，超级对称性不再流行，但一些理论物理学家仍然认为这是真的。
　　Heinemeyer和合作者最近计算出，某些超对称粒子可以解决另一个与标准模型的推定差异，即muon g-2异常。这样做，粒子还会稍微推动W玻色子的质量，尽管需要更多的新人来匹配CDF的测量值。
　　实验家在磨练精确测量方面的辛勤工作使研究人员更加乐观地认为，期待已久的突破即将到来。
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