用高中生都能懂的公式说明标准模型对W玻色子理论质量的预测

　　2022年4月，物理学界发表了一项重大声明，W玻色子的质量被测量到了一个高精度水平，但这个质量却不是粒子物理学标准模型所预测的。费米实验室的研究人员表明，W玻色子的质量为80.4335 0.0094GeV，然而标准模型预测的质量为80.357 0.006GeV。这种差异虽然看起来很小，但新的测量值与预测值相差约7σ，这已经远远超出了新发现的阈值。所以，W玻色子的理论预测质量是如何得到的？
　　电弱理论的重要性
　　标准模型被认为是我们对宇宙如何运作的最佳理解，并且迄今为止在做出预测方面一直非常准确，但问题在于费米实验室的结果与标准模型不兼容。因此，为了理解这个重大的问题，让我们更仔细地研究标准模型，特别是电弱理论，它是该模型的关键组成部分。
　　电弱理论之所以重要有几个原因。首先，它是一种将弱力与电磁力结合在一起的理论，它告诉我们这两种力是如何从一个统一的力中产生的。希格斯场在使电弱理论起作用方面有着至关重要的作用，因为它负责为携带弱力的W和Z玻色子提供质量。其次，弱力与标准模型的所有物质粒子都会相互作用，因此基于新发现对标准模型的任何修改都会影响电弱理论的参数。事实上，如果标准模型有任何问题，它很可能会在标准模型的电弱部分表现出来。所以，让我们看看电弱理论以了解W玻色子的新测量意味着什么。
　　对W玻色子质量的预测
　　电弱理论指定了W和Z玻色子之间的关系，该理论并没有准确说明这些粒子的质量应该是多少，但它给出了一种关系。这种关系如下图所示，其中m_W是W玻色子的质量，而m_Z是Z玻色子的质量，θ称为温伯格角。这三个参数都是测量值，Z玻色子的质量和温伯格角比W玻色子的质量更容易测量，因此科学家通常测量前两个量，然后从中得出W玻色子的质量的预测值。
　　新结果的问题在于，它是一个非常精确的m_W测量值，与基于m_Z和cosθ测量值的结果不符。这提出了一个问题，因为它似乎违反了电弱理论的预测。电弱理论是标准模型的关键部分，而且到目前为止标准模型已经做出了许多准确预测，所以新的测量结果让我们对标准模型产生了怀疑。
　　事实上，最初根据标准模型计算W玻色子质量时，得到的预测质量更低。原因在于所有大质量粒子的质量都受到其他粒子质量的影响，这称为进行量子校正。例如，W玻色子会受到其他粒子（如顶夸克和希格斯玻色子）相互作用的量子校正的影响，这些量子校正等式如下图所示，其中等式右边第一项是未校正的W玻色子质量。
　　你可能会问，为什么一个粒子的质量会受到其他粒子质量的影响？这是因为在量子水平上，所有粒子都是场中的激发，场中这些激发的大小就是我们认为的质量。而任何给定的场都会受到其他场的影响。
　　从我们目前已知的粒子来说，通过考虑这些校正，W玻色子和Z玻色子的质量之比非常符合我们刚才提到的公式。但如果还存在我们不知道的粒子，量子校正没有考虑进去的，那么很明显，W玻色子的理论预测值就会出现问题。