新物理烏云再現(xiàn)?
20世紀初,物理學已經(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)展成為一場推倒大廈的風暴,并促成了相對論和量子力學的建立。百年之后,2021 年 4 月 7 日上午,美國費米國家加速器實驗室(Fermilab)公布了繆子 g-2 實驗組對于繆子反常磁矩的首個測量結(jié)果,瞬間掀起了人們對于物理學發(fā)展的新討論。有人認為,這一發(fā)現(xiàn)將會進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,費米實驗室再次發(fā)布了一項新的實驗結(jié)果,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?
北京時間2022年4月8日凌晨(芝加哥當?shù)貢r間4月7日),費米實驗室的CDF國際合作組通過全球多家媒體同步發(fā)布了W玻色子質(zhì)量測量的迄今最精確結(jié)果,比粒子物理標準模型的預期值偏高7個標準偏差。該研究成果以封面文章發(fā)表在4月8日《科學(Science)》雜志正刊上(圖1)。
標準模型與W玻色子
粒子物理標準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、弱力和強力,是物理學最基本的理論之一。根據(jù)標準模型,相互作用力是通過基本粒子來傳遞的,比如帶電粒子之間的電磁力是通過光子來傳遞的,其力程無限遠。強力是夸克間通過膠子傳遞的,弱力則是由W、Z等叫作中間玻色子的粒子來傳遞的,力程極?。ㄐ∮诿祝伊苋?,僅為電磁力的萬分之一左右。W玻色子正是借用了Weak force(弱力)的首字母來命名的。
圖2,標準模型 (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)量直接影響了費米常數(shù),它決定了太陽中心聚變過程的速率,如果這過程太快了,恐怕地球上就沒有足夠時間演化出人類。
上世紀中葉,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年諾貝爾物理學獎。與此同時,實驗粒子物理學家們一直希望能在高能實驗中尋找到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,才容易從復雜的實驗數(shù)據(jù)中觀測到蹤跡。這項努力一直延續(xù)到1983年,在歐洲核子中心(CERN)的超級質(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UA1和UA2合作組,終于在實驗上發(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獎。
W質(zhì)量怎么測,為啥這么難測?
W玻色子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的80倍左右,大約8萬(),它是標準模型的一個重要參數(shù)。對其數(shù)值的精確測量一直是檢驗標準模型和探測新物理的重要手段之一。位于歐洲核子中心的大型正負電子對撞機(LEP)上的ALEPH實驗、DELPHI實驗、L3實驗、OPAL實驗,大型強子對撞機(LHC)上的ATLAS實驗、LHCb實驗,以及位于美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器(Tevatron)上的CDF實驗、D0實驗等都對W玻色子的質(zhì)量進行過測量(圖3)。
圖3,W玻色子質(zhì)量的各實驗測量與理論預測范圍
在對撞機實驗中,粒子物理學家通常是通過研究高能粒子的衰變產(chǎn)物來測量它們的質(zhì)量。但是W玻色子在衰變成帶電輕子的過程中會伴隨產(chǎn)生一個看不見的中微子,這給精確測量W玻色子的質(zhì)量帶來了巨大的困難。多年來,其測量精度(誤差)一直在幾十個量級(如圖3所示),最好的單個實驗的精度也在二十個左右。這與W玻色子的姐妹粒子——Z玻色子的質(zhì)量測量精度(2 )形成了極大的反差。實驗粒子物理工作者們?yōu)榇诉M行了長時間的努力。
美國費米實驗室的Tevatron曾為世界上最大的對撞機,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上的一個通用型粒子探測器,粒子物理實驗學家們通過研究CDF探測到的W玻色子衰變產(chǎn)生的帶電輕子的信號來計算W玻色子的質(zhì)量。他們經(jīng)過十年的不懈努力發(fā)展出了一套新的數(shù)據(jù)分析方法,利用CDF二期運行期間收集的所有數(shù)據(jù)首次將W玻色子的質(zhì)量的精度降低到了個位數(shù)字——9 。這一結(jié)果的精度達到了0.01%,超越了之前任何一個實驗的精度,也超越了之前所有試驗結(jié)果的加權綜合精度,對標準模型的檢驗達到了一個新的里程碑。
新物理真的要來了嗎?
為什么科學家們認為W玻色子質(zhì)量的偏差暗示著新物理的存在?
在粒子物理標準模型中,W玻色子的質(zhì)量通過內(nèi)部對稱性和標準模型中的其他參數(shù)緊密聯(lián)系在一起。粒子理論學家可以通過已經(jīng)測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、繆子的壽命計算出W玻色子的質(zhì)量。最新計算給出W玻色子的質(zhì)量為80357±6 (如圖3中灰色部分所示)。而CDF合作組的最新測量結(jié)果(目前最精確的結(jié)果)顯示其W質(zhì)量測量值為80433.5±9.4 (圖3中CDF II所展示的結(jié)果)。二者之間存在著7個標準偏差。也就是說在標準模型的預言是正確的情況下,CDF實驗觀測到這樣的實驗結(jié)果的可能性僅為大概。如果CDF的最新結(jié)果是正確的,那么在標準模型的框架下W玻色子的質(zhì)量和以前測得的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準模型并不完備,需要引進新物理的修正。但是這種新物理的修正往往有很多的可能性。因此,我們需要進一步的實驗來檢驗這些新物理的模型。
需要注意的是,從圖3我們可以看到,CDF最新的結(jié)果和ATLAS的測量結(jié)果也存在大約3個標準差的偏差,而ATLAS的結(jié)果和標準模型的結(jié)果在一個標準差之內(nèi)是吻合的。因此,標準模型對W玻色子的質(zhì)量的預言是否有偏差也還需要其他的實驗進一步檢驗。中國參與的大型強子對撞機上的ATLAS實驗、CMS實驗、LHCb實驗正在進行相關的研究。規(guī)劃中的環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)、未來環(huán)形對撞機(FCC)等,將能夠?qū)玻色子的質(zhì)量做更為精細的測量,進一步檢測標準模型計算是否需要被修改或擴展。
圖6,CEPC設計示意圖
審核編輯 :李倩
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原文標題:新物理,真的要來了嗎? | “W粒子質(zhì)量” VS “標準模型”
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