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撰文｜安海鵬  陳新  胡震  王青  易凱

責(zé)編｜邸利會(huì)

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20世紀(jì)初，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了非常完美的程度。但是，經(jīng)典物理大廈上空飄浮的兩朵小小的烏云，卻最終發(fā)展成為一場(chǎng)推倒大廈的風(fēng)暴，并促成了相對(duì)論和量子力學(xué)的建立。

百年之后，2021年4月7日上午，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）公布了繆子 g-2 實(shí)驗(yàn)組對(duì)于繆子反常磁矩的首個(gè)測(cè)量結(jié)果，瞬間掀起了人們對(duì)于物理學(xué)發(fā)展的新討論。有人認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步揭開新物理的面紗，但也不乏質(zhì)疑的聲音。

整整一年以后的2022年4月7日（芝加哥當(dāng)?shù)貢r(shí)間），費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF國(guó)際合作組發(fā)布了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果——

本文作者之一、CDF合作組成員、南京師范大學(xué)教授、清華大學(xué)訪問教授易凱認(rèn)為，“CDF經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力才取得迄今為止最為精確的測(cè)量，這一結(jié)果如果得到別的實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，對(duì)目前的標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)沖擊。中國(guó)LHC各個(gè)合作組同世界上其他的研究團(tuán)隊(duì)一起在LHC數(shù)據(jù)中有望間接和直接找到完善標(biāo)準(zhǔn)模型的證據(jù)?！?/span>

該研究以封面文章發(fā)表在4月8日《科學(xué)》（Science）雜志上，又一次引發(fā)了物理界的大討論：新物理烏云真的要出現(xiàn)了嗎？

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論描述了組成所有物質(zhì)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(qiáng)力，是物理學(xué)最基本的理論之一。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，相互作用力是通過(guò)基本粒子來(lái)傳遞的。

W玻色子正是借用了Weak force（弱力）的首字母來(lái)命名的。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量光子，它居然有質(zhì)量。而且，W的質(zhì)量直接影響了費(fèi)米常數(shù)，它決定了太陽(yáng)中心聚變過(guò)程的速率，如果這過(guò)程太快了，恐怕地球上就沒有足夠時(shí)間演化出人類。

上世紀(jì)中葉，格拉肖（Sheldon L. Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）統(tǒng)一了弱力和電磁力，并因此獲得了1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家們一直希望能在高能實(shí)驗(yàn)中尋找到W玻色子，但由于它的質(zhì)量較重，需要能量足夠高的加速器，才容易從復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中觀測(cè)到蹤跡。

這項(xiàng)努力一直延續(xù)到1983年，在歐洲核子中心（CERN）的超級(jí)質(zhì)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(lǐng)UA1和UA2合作組，終于在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了W玻色子和Z玻色子存在的證據(jù)，并于次年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

位于歐洲核子中心的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）上的ALEPH實(shí)驗(yàn)、DELPHI實(shí)驗(yàn)、L3實(shí)驗(yàn)、OPAL實(shí)驗(yàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的ATLAS實(shí)驗(yàn)、LHCb實(shí)驗(yàn)，以及位于美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏特加速器（Tevatron）上的CDF實(shí)驗(yàn)、D0實(shí)驗(yàn)等都對(duì)W玻色子的質(zhì)量進(jìn)行過(guò)測(cè)量。

圖2 對(duì)W玻色子質(zhì)量的測(cè)量

在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，粒子物理學(xué)家通常是通過(guò)研究高能粒子的衰變產(chǎn)物來(lái)測(cè)量它們的質(zhì)量。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過(guò)程中會(huì)伴隨產(chǎn)生一個(gè)看不見的中微子，這給精確測(cè)量W玻色子的質(zhì)量帶來(lái)了巨大的困難。

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron曾為世界上最大的對(duì)撞機(jī)。在Tevatron里，質(zhì)子和反質(zhì)子被加速到它們的靜止質(zhì)量的1000倍，然后發(fā)生碰撞，從而大量產(chǎn)生W玻色子。

CDF（Collider Detector at Fermilab）是Tevatron上的一個(gè)通用型粒子探測(cè)器，粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家們通過(guò)研究CDF探測(cè)到的W玻色子衰變產(chǎn)生的帶電輕子的信號(hào)來(lái)計(jì)算W玻色子的質(zhì)量。

圖3 LHC 的 ATLAS 探測(cè)器 | 圖片源自 CERN

為什么科學(xué)家們認(rèn)為W玻色子質(zhì)量的偏差暗示著新物理的存在？

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，W玻色子的質(zhì)量通過(guò)內(nèi)部對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他參數(shù)緊密聯(lián)系在一起。粒子理論學(xué)家可以通過(guò)已經(jīng)測(cè)得的希格斯玻色子的質(zhì)量、Z玻色子的質(zhì)量、頂夸克的質(zhì)量、繆子的壽命計(jì)算出W玻色子的質(zhì)量。

如果CDF的最新結(jié)果是正確的，那么在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架下W玻色子的質(zhì)量和以前測(cè)得的Z玻色子的質(zhì)量、頂夸克的質(zhì)量、希格斯玻色子的質(zhì)量還有繆子的壽命是不相容的。

這意味著粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型并不完備，需要引進(jìn)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(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這些新物理的模型。

需要注意的是，從上圖我們可以看到，CDF最新的結(jié)果和ATLAS的測(cè)量結(jié)果也存在大約3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的偏差，而ATLAS的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)是吻合的。

因此，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)W玻色子的質(zhì)量的預(yù)言是否有偏差也還需要其他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。

中國(guó)參與的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS實(shí)驗(yàn)、CMS實(shí)驗(yàn)、LHCb實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。規(guī)劃中的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）、未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）等，將能夠?qū)玻色子的質(zhì)量做更為精細(xì)的測(cè)量，進(jìn)一步檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算是否需要被修改或擴(kuò)展。

圖4 CEPC設(shè)計(jì)示意圖

就W玻色子質(zhì)量測(cè)量的最精確結(jié)果，《知識(shí)分子》邀請(qǐng)匹茲堡大學(xué)的杰出教授韓濤進(jìn)行解讀。

W玻色子的質(zhì)量測(cè)量是有重要物理意義的。

因?yàn)榛玖Ｗ赢?dāng)中，費(fèi)米子和希格斯粒子的質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)模型里沒有一個(gè)確定的預(yù)言，基本上都是獨(dú)立的自由參數(shù)。可是W粒子質(zhì)量和Z粒子質(zhì)量，是由熟悉的弱電力與真空相互作用確定的。知道了核力的弱相互作用， W粒子質(zhì)量基本上從這個(gè)理論框架當(dāng)中就固定了，是有一個(gè)明確的預(yù)言和限制。

測(cè)量W/Z粒子質(zhì)量的精確自洽程度，就意味著我們對(duì)理論的相互作用的一個(gè)深刻理解。目前我們有了成功的標(biāo)準(zhǔn)模型的理論結(jié)構(gòu)，固定的理論常數(shù)，不管什么實(shí)驗(yàn)上的可觀測(cè)量，都應(yīng)該用同樣這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)來(lái)描述，這是理論的完整自洽性?？墒沁@次對(duì)W質(zhì)量的獨(dú)立測(cè)量，跟標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期不一樣。而且從統(tǒng)計(jì)上看，出現(xiàn)7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差，這是相當(dāng)明顯的差別了， 無(wú)法從簡(jiǎn)單的調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)來(lái)達(dá)到自洽。

從實(shí)驗(yàn)和測(cè)量來(lái)講，CDF實(shí)驗(yàn)組做得非常好。他們實(shí)驗(yàn)的精度，對(duì)電子和繆子的能量動(dòng)量的測(cè)量，顯然比以前任何人做的都好，我們應(yīng)該祝賀他們。

但是有如下三個(gè)方面要提請(qǐng)注意。

第一條要注意的是，所謂7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差，是從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看的。實(shí)驗(yàn)測(cè)量還要考慮系統(tǒng)誤差，基本與統(tǒng)計(jì)誤差無(wú)關(guān)。這涉及一些理論處理，計(jì)算模擬中的不確定性。CDF當(dāng)然也認(rèn)真的做了系統(tǒng)誤差的估計(jì)，結(jié)果跟統(tǒng)計(jì)誤差是同數(shù)量級(jí)。我個(gè)人認(rèn)為系統(tǒng)誤差應(yīng)該再進(jìn)一步的理解和處理。大家仍然對(duì)系統(tǒng)誤差的處理持有一定的保留態(tài)度。我覺得系統(tǒng)誤差是很重要問題。

第二個(gè)問題是，CDF的最新結(jié)果與另外的兩個(gè)類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡符合。一個(gè)是CDF在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的姊妹實(shí)驗(yàn)D0，另一個(gè)是LHC的ATLAS實(shí)驗(yàn)。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)必須協(xié)調(diào)找出其潛在原因，才能下結(jié)論。

最后，假設(shè)這個(gè)新的結(jié)果以及誤差估計(jì)確實(shí)是可靠的，那么這一定意味著有一些新的物理現(xiàn)象出現(xiàn)，超出了標(biāo)準(zhǔn)模型。有一些新的理論模型的確可以來(lái)解決這樣的差別。由于此結(jié)果的高精度，很小的新物理效應(yīng)也可能會(huì)通過(guò)它來(lái)揭示出來(lái)的。

展望未來(lái)，LHC已經(jīng)收集了15倍于CDF的數(shù)據(jù)。我們期待LHC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)表。對(duì)于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，F(xiàn)CC-ee和CEPC在W粒子對(duì)產(chǎn)生之后，基本上沒有背景噪音，非?？梢云诖堰@個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量精確提高幾倍。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/

https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

http://hep.tsinghua.edu.cn/news/20220408wmass.html

注：該文除韓濤教授的解讀外，其余部分與《現(xiàn)代物理知識(shí)》同步首發(fā)，略有編輯。