超出理论预期的粒子

　　标准模型
　　万物是由什么构成的？又是什么把它们束缚在一起？
　　经历了两千多年的追寻，我们已经有了一副大致的图景：
　　上图包含了所有已知的基本粒子。所谓基本粒子，指的是那些不可再分割的粒子，例如构成原子的电子、上夸克和下夸克，就都属于基本粒子。描述这些基本粒子的属性，以及它们之间的相互作用的理论被称为 标准模型 。这是迄今为止最为精确的一个理论。
　　尽管标准模型极其成功，但它仍然有不足之处。例如，它解释了自然界中的三种基本力——电磁力、强力和弱力，但却不囊括引力。此外，它也不包含暗物质，一种不可见的物质，却占据了宇宙物质的85%。因此，物理学家一直希望能够找到标准模型的漏洞。
　　去年，缪子g-2实验观测到了缪子的行为与标准模型预期的不符，令许多物理学家感到异常兴奋，但结果有待进一步确认。今天，我们所要谈论的主角不是缪子，而是标准模型中的 W玻色子 。对于一些物理学家而言，W玻色子是寻找新物理和偏离标准模型预测的最佳对象。
　　W玻色子
　　W玻色子于上个世纪六十年代被预测，并在1983年被发现。W玻色子有两种，带正电荷的或带负电荷的，与中性的Z玻色子一起，它们都是负责传递弱力的载力粒子，类似于每一种电磁相互作用都涉及光子的交换。在粒子衰变和太阳发光中，弱力扮演着重要角色。
　　电磁力是由光子传递的，弱力是由W和Z玻色子传递的，强力则是由胶子传递的。一些物理学家认为，引力或许是由假想的引力子传递的。| 图片来源：Typoform
　　在一项对W玻色子进行的迄今为止最精确的测量中，来自费米实验室的对撞机探测器 （CDF） 发现，W玻色子的质量偏离了标准模型的预测 。这是物理学家耗费十年得出的最新结果。
　　在对撞机中，当质子和反质子对撞时，会产生包括W玻色子在内的大量粒子。W玻色子只能短暂的存在，它会迅速衰变为电子或缪子，以及中微子。中微子是无法被探测到的，它会毫无痕迹地逃脱探测器，而电子或缪子却会留下明显的踪迹。
　　自1983年发现W玻色子以来，实验计算出它的质量大约是质子的85倍。对撞机会通过高能粒子的碰撞产生W玻色子。接着，W玻色子会迅速衰变。
　　在衰变过程中，W玻色子的大部分原始质量会转化为新粒子的能量。如果物理学家能够测量所有衰变粒子的能量和路径，他们就能立即计算出产生这些粒子的W玻色子的质量。但由于无法追踪到中微子，这让研究人员无法确定电子或缪子的哪一部分能量来自W玻色子的质量，哪一部分来自W玻色子的动量。这就会使测量变得异常困难。
　　比理论预测得更重
　　在最新的工作中，研究人员所使用的数据是在费米实验室的兆电子伏特加速器关闭前收集的。他们观察了2002年和2011年间CDF探测器产生的420万个W玻色子，这个数据集比他们在2012年第一次测量时所使用的数据高出四倍。研究人员通过测量每个衰变电子的轨迹在磁场中的弯曲程度来计算其能量。
　　在绘制出电子能量的分布图之后，研究人员计算出了最符合数据的W玻色子质量：80433.5MeV，误差范围仅为9.4MeV，这比理论预期的更重。尽管这是从旧数据中获取的新结果，但最新的测量在2012年之前是不可能实现的。这是因为数据分析技术不断地在改进，粒子物理学家对质子和反质子在碰撞中的行为的理解也越来越深刻。
　　图片数据来源：[1]
　　CDF的最新测量结果的精度比先前最好的测量结果 （来自ATLAS的测量） 高出一倍。如上图所示，一些较早的、不那么精确的测量值更接近于理论预测的（80357MeV） 。
　　新物理？
　　如果新的测量结果成立，那么我们要如何解释理论和测量之间的差异呢？
　　一种可能的解释是，这或许暗示着宇宙存在着 超对称理论 预测的全新粒子，该理论假设每个已知的基本粒子都有一个更重的伙伴。这些粒子会在W玻色子周围的真空中不断地出现和消失，从而使W玻色子变得更重。耐人寻味的是，超对称粒子也可以解释缪子g-2实验报告的结果。
　　另一种可能的解释与 希格斯玻色子 有关，它在2012年在大型强子对撞机被发现，是标准模型的最后一块拼图。如果希格斯玻色子的性质与现有理论预测的不同，比如它可能是一个复合粒子而不是基本粒子，或者存在多个版本的希格斯玻色子，都将影响W玻色子的质量。
　　每当我们看到一个可能颠覆现有理论的实验结果之前，我们都要牢牢记住，＂非凡的主张需要有非凡的证据＂。因此在我们宣称这是一个重大发现之前，我们还需要等待其他实验的印证。
　　撰文：原原
　　参考来源：
　　[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
　　[2] https://www.nature.com/articles/d41586-022-01014-5
　　封面图/首图：新原理研究所