W玻色子是17種已知的基本粒子之一，其奇特的質(zhì)量測量結(jié)果可能指向未知的粒子或力。

對W玻色子的最新測量結(jié)果來自美國伊利諾伊州費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)老式粒子對撞機(jī)——兆電子伏特加速器（Tevatron）。這是一座始建于1983年的粒子加速器，于2011年9月30日關(guān)閉。在此之后，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室對撞機(jī)探測器（CDF）合作項(xiàng)目的大約400名成員繼續(xù)分析由Tevatron產(chǎn)生的W玻色子，對無數(shù)可能的誤差源進(jìn)行追蹤，以達(dá)到無與倫比的精度水平。

如果W玻色子相對于標(biāo)準(zhǔn)理論的預(yù)測值“超重0.1%”能夠被獨(dú)立證實(shí)，那將意味著宇宙中存在著一些尚未被我們發(fā)現(xiàn)的粒子或力，半個(gè)世紀(jì)以來的量子物理定律可能將迎來首次重大改寫，這將徹底改變我們看待世界的方式。希格斯玻色子很符合之前已知的圖景，但此次發(fā)現(xiàn)將開啟一個(gè)全新的領(lǐng)域。如果新研究結(jié)果得到驗(yàn)證，其意義甚至可能與2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子相媲美。

目前，物理學(xué)界正急切地尋找粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型存在的缺陷，而這一發(fā)現(xiàn)恰逢其時(shí)。標(biāo)準(zhǔn)模型是一組描述強(qiáng)力、弱力和電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)基本粒子的方程，在粒子物理學(xué)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，幾乎涵蓋了所有已知的粒子和力。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型仍被認(rèn)為是不完整的，還有許多未解之謎有待解釋，比如暗物質(zhì)的性質(zhì)等。CDF合作項(xiàng)目的良好記錄使得他們的新測量結(jié)果相當(dāng)可信，從而對標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

不過，還沒有人開香檳慶祝。盡管單獨(dú)來看，新的W玻色子質(zhì)量測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測有較大差異，但其他測量實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果卻沒有這么引人注目（盡管不夠精確）。例如，2017年，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的ATLAS實(shí)驗(yàn)測量了W玻色子的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)只比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測值重了一點(diǎn)點(diǎn)——只相當(dāng)于一根頭發(fā)的重量。CDF和ATLAS之間不一致的結(jié)果表明，其中至少有一個(gè)團(tuán)隊(duì)忽略了實(shí)驗(yàn)中的一些微妙的古怪之處。

如果CDF的結(jié)果得到證實(shí)，研究人員也想了解它與之前測量結(jié)果之間的差異，大西洋兩岸的W玻色子必須是一樣的才對，這是一項(xiàng)里程碑式的工作，但我們也很難知道該怎么處理它。

W玻色子

CDF項(xiàng)目是在Tevatron粒子加速器6.3公里環(huán)上不同位置進(jìn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)之一，圖中顯示的是2001年安裝的過程。

W玻色子和Z玻色子是負(fù)責(zé)傳遞弱核力的基本粒子，于1983年被發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)模型的一大勝利。W玻色子因弱核力的“弱”（Weak）而得名。弱核力又稱弱相互作用或弱力，是宇宙的四種基本力之一。與萬有引力、電磁力和強(qiáng)核力（強(qiáng)相互作用）不同，弱核力并不會(huì)怎么推或拉，而是將較重的粒子轉(zhuǎn)化為較輕的粒子。例如，一個(gè)μ介子自發(fā)衰變?yōu)閃玻色子和一個(gè)中微子，然后，W玻色子又衰變成一個(gè)電子和另一個(gè)中微子。相關(guān)的亞原子形變會(huì)產(chǎn)生放射性，這一過程可以使太陽光持續(xù)照射。

在過去40年里，研究人員通過各種各樣的實(shí)驗(yàn)測量了W和Z玻色子的質(zhì)量。事實(shí)證明，W玻色子的質(zhì)量是一個(gè)特別誘人的研究目標(biāo)。當(dāng)其他粒子的質(zhì)量被簡單測量并作為自然事實(shí)被接受時(shí)，W玻色子的質(zhì)量卻只能通過在標(biāo)準(zhǔn)模型方程中結(jié)合一些其他可測量的量子性質(zhì)來預(yù)測。

幾十年來，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和其他研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們一直在利用W玻色子周圍的連接網(wǎng)絡(luò)，試圖探測到與其相關(guān)的其他粒子。一旦研究人員精確測量了對W玻色子質(zhì)量影響最大的項(xiàng)——如電磁力的強(qiáng)度和Z玻色子的質(zhì)量——他們就可以開始檢測對其質(zhì)量影響較小的其他因素。

通過這種方法，物理學(xué)家在20世紀(jì)90年代預(yù)測了一種叫做頂夸克的粒子的質(zhì)量。頂夸克通過強(qiáng)力與其他基本粒子相互作用，通過弱力衰變?yōu)閃玻色子和底夸克。1995年，物理學(xué)家探測并確定了頂夸克的質(zhì)量。2000年，物理學(xué)家們又重復(fù)了這一壯舉：在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之前預(yù)測了它的質(zhì)量。

然而，盡管理論物理學(xué)家們有各種理由期待頂夸克和希格斯玻色子的存在，并通過標(biāo)準(zhǔn)模型方程將其與W玻色子聯(lián)系起來，但今天的理論并沒有明顯缺失的部分。W玻色子質(zhì)量的任何差異都指向未知。

測量W玻色子的質(zhì)量

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron粒子對撞機(jī)曾經(jīng)是世界上最強(qiáng)大的加速器。

CDF項(xiàng)目對W玻色子質(zhì)量的最新測量是以Tevatron在2002年到2011年間產(chǎn)生的大約400萬個(gè)W玻色子的分析為基礎(chǔ)來完成的。當(dāng)Tevatron用質(zhì)子來撞擊反質(zhì)子時(shí)，W玻色子經(jīng)常會(huì)在隨后的混亂中出現(xiàn)。然后W玻色子會(huì)衰變?yōu)橐粋€(gè)中微子和一個(gè)μ介子或電子，后兩者都可以直接探測到。μ子或電子越快，產(chǎn)生它的W玻色子就越重。

美國杜克大學(xué)的物理學(xué)家阿舒托什?科特瓦爾是CDF最近這些合作分析的幕后推手，他的職業(yè)生涯都致力于完善這一框架。W玻色子實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)裝有3萬根高壓導(dǎo)線的圓柱形腔室，當(dāng)μ介子或電子穿過其中時(shí)，這些高壓導(dǎo)線就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而使CDF的研究人員推斷出粒子的路徑和速度。了解每根導(dǎo)線的確切位置是獲得粒子精確軌跡的關(guān)鍵。在進(jìn)行新的分析時(shí)，科特瓦爾和他的同事利用了從天空中以宇宙射線形式落下的μ介子。這些粒子像子彈一樣，以近乎完美的直線穿過探測器，讓研究人員能夠探測到任何不穩(wěn)定的導(dǎo)線，并將導(dǎo)線的位置固定在1微米以內(nèi)。

研究人員還花了數(shù)年時(shí)間在數(shù)據(jù)發(fā)布之間進(jìn)行詳盡的交叉檢查，以獨(dú)立的方式重復(fù)測量結(jié)果，以確保充分了解Tevatron的每一個(gè)特性。與此同時(shí)，W玻色子的測量值積累得越來越快。CDF最近一份分析報(bào)告發(fā)布于2012年，涵蓋了Tevatron頭五年的數(shù)據(jù)。在接下來的四年里，數(shù)據(jù)量又翻了兩番。“它就像消防水管的水一樣沖過來，比你喝水的速度還快，”科特瓦爾說道。

距離最后一次分析近十年后，CDF合作項(xiàng)目終于公布了結(jié)果。在2020年11月的一次Zoom會(huì)議上，科特瓦爾按下一個(gè)按鍵，解密了該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果（他們使用了加密數(shù)據(jù)，使得數(shù)字不會(huì)影響他們的分析）。在座的物理學(xué)家們陷入沉默，似乎都在思索這些結(jié)果意味著什么。他們發(fā)現(xiàn)，W玻色子的質(zhì)量為804.33億電子伏特（MeV），誤差在9MeV左右。這使得它比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要重76MeV，這個(gè)誤差大約是測量或預(yù)測誤差的7倍。

科學(xué)家通常用若干sigma來判斷一項(xiàng)測量的重要程度，當(dāng)sigma超過5時(shí)，科學(xué)家就有信心宣布自己取得了確定性的發(fā)現(xiàn)，而CDF的測量結(jié)果達(dá)到了“7 sigma”，可以說是非常明確的結(jié)果。然而，ATLAS和其他實(shí)驗(yàn)的低測量值讓研究人員不得不停了下來。

是新的測量有誤，還是意味著新的突破？

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF探測器的粒子碰撞計(jì)算機(jī)圖像，顯示了一個(gè)W玻色子衰變成一個(gè)正電子（左下洋紅色塊）和一個(gè)看不見的中微子（黃色箭頭）。

隨著Tevatron的關(guān)閉，確認(rèn)或否定CDF測量結(jié)果的責(zé)任落在了大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上。事實(shí)上，該裝置已經(jīng)產(chǎn)生了比Tevatron更多的W玻色子，但其更高的碰撞率使得對W玻色子質(zhì)量的分析更加復(fù)雜。不過，通過收集更多的數(shù)據(jù)——可能是在更低的束流強(qiáng)度下——LHC有望在未來幾年解決這些問題。

與此同時(shí)，理論物理學(xué)家們不得不開始思考“超重的”W玻色子可能意味著什么。一個(gè)μ介子在衰變?yōu)殡娮訒r(shí)會(huì)短暫地釋放出W玻色子，這中間W玻色子可以與其他粒子相互作用，甚至與尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子相互作用。這種與未知粒子的相互作用可能使W玻色子的質(zhì)量測量出現(xiàn)偏差。

另一種可能是，較重的W玻色子可能是由另一個(gè)希格斯玻色子導(dǎo)致的，它比我們已知的希格斯玻色子更不活躍?；蛘?，這可能是由于一種新的大質(zhì)量玻色子介導(dǎo)了一種弱力的變體，或者是由多個(gè)粒子組成的“復(fù)合”希格斯玻色子，一種新的力將它們結(jié)合在一起。

一些理論物理學(xué)家懷疑，W玻色子質(zhì)量的異常可能源于超對稱性理論所預(yù)測的粒子。超對稱性理論是一個(gè)得到長期研究的框架，將物質(zhì)粒子和承載力的粒子聯(lián)系起來，為每一個(gè)已知的粒子都假定了一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)的相反類型的粒子——或可稱為“拍檔”（費(fèi)米子的超對稱粒子）。不過，科學(xué)家在大型強(qiáng)子對撞機(jī)中一直未能發(fā)現(xiàn)超對稱粒子，超對稱性理論也就不再流行了，但一些理論物理學(xué)家仍相信該理論是正確的。

斯文·海因邁耶和他的合作者最近計(jì)算出，某些超對稱粒子能夠解決另一種假定的與標(biāo)準(zhǔn)模型不符的現(xiàn)象，即μ子g-2異常。這樣一來，這些粒子也可能使W玻色子的質(zhì)量略微上升，盡管還不足以匹配CDF的測量結(jié)果。他說：“幫助我們研究g-2的粒子，也可能幫助我們研究W玻色子質(zhì)量，這很有意思?！?/p>

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們在精密測量方面的辛勤工作，使研究人員更加樂觀地認(rèn)為，期待已久的突破即將到來?？偟膩碚f，物理學(xué)家正在接近取得突破的時(shí)刻，也正在接近真正地超越標(biāo)準(zhǔn)模型。（任天）