W玻色子质量“超出预期”，宇宙或存在未被发现的粒子或力

据国外媒体报道，对W玻色子质量的最新分析显示，这些粒子比粒子物理学中标准模型的预测值要重得多物理学家发现，这种传递弱核力的基本粒子似乎比之前预测的要重0.1%，而正是这种微小的差异，可能预示着基础物理学的重大变革相关研究成果发表在最近一期《科学》杂志上

w玻色子是17种已知基本粒子之一，其奇特的质量测量结果可能指向未知粒子或力。

W玻色子的最新测量结果来自美国伊利诺伊州费米国家加速器实验室的一台老式粒子对撞机——兆电子伏加速器这是一台粒子加速器，成立于1983年，2011年9月30日关闭之后，费米实验室对撞机探测器合作项目的约400名成员继续分析Tevatron产生的W玻色子，跟踪无数可能的误差源，以达到无与伦比的精确度

如果W玻色子相对于标准理论的预测值超重0.1%能够被独立证实，那将意味着宇宙中还有一些粒子或力尚未被我们发现半个世纪以来的量子物理定律可能第一次被改写，这将彻底改变我们看待世界的方式希格斯玻色子符合之前已知的画面，但这一发现将开启一个全新的领域如果新的研究成果得到验证，其意义甚至可能堪比2012年发现的希格斯玻色子

目前，物理学界正急切地寻找粒子物理标准模型的缺陷，这一发现恰逢其时标准模型是描述三种基本力，即强力，弱力和电磁力，以及构成所有物质的基本粒子的方程组它在粒子物理学中长期占据主导地位，几乎涵盖了所有已知的粒子和力可是，标准模型仍然被认为是不完整的，仍然有许多未解之谜需要解释，例如暗物质的性质CDF合作项目的良好记录使其新的测量结果相当可信，从而对标准模型提出了挑战

可是，没有人开香槟庆祝虽然新W玻色子质量的测量结果与标准模型预测的结果大相径庭，但其他测量实验产生的结果并不那么引人注目例如，2017年，欧洲大型强子对撞机的ATLAS实验测量了W玻色子的质量，发现它只比标准模型的预测值重一点点——只相当于一根头发的重量CDF和ATLAS之间不一致的结果表明，至少有一个团队忽略了实验中的一些微妙的怪癖

如果CDF结果被证实，研究人员也想知道它和以前的测量结果之间的差异大西洋两岸的W玻色子肯定是一样的这是一部里程碑式的作品，但我们也很难知道如何处理它

w玻色子

CDF项目是在Tevatron粒子加速器6.3公里环上不同位置进行的两个实验之一

W玻色子和Z玻色子是传递弱核力的基本粒子它们于1983年被发现，被视为标准模型的一大胜利W玻色子是以弱核力的弱点命名的弱核力又称弱相互作用或弱力，是宇宙四大基本力之一与引力，电磁力和强核力不同，弱核力不会产生很大的推力或拉力，而是将较重的粒子转化为较轻的粒子比如，一个μ子自发衰变成一个W玻色子和一个中微子，然后W玻色子衰变成一个电子和另一个中微子相关的亚原子变形会产生放射性，这个过程可以保持阳光的照耀

在过去的40年里，研究人员通过各种实验测量了W和Z玻色子的质量事实证明，W玻色子的质量是一个特别吸引人的研究对象在其他粒子的质量被简单测量并接受为自然事实的同时，W玻色子的质量只能通过结合标准模型方程中一些其他可测量的量子性质来预测

几十年来，费米实验室和其他研究机构的实验物理学家一直在使用W玻色子周围的连接网络，试图探测与之相关的其他粒子一旦研究人员精确测量了对W玻色子质量影响最大的项——如电磁力的强度和Z玻色子的质量——他们就可以开始检测对其质量影响较小的其他因素

通过这种方式，物理学家在20世纪90年代预测了一种叫做顶夸克的粒子的质量顶夸克通过强力与其他基本粒子相互作用，通过弱力衰变为W玻色子和底夸克1995年，物理学家探测并确定了顶夸克的质量2000年，物理学家重复了这一壮举:在发现希格斯玻色子之前预测它的质量

可是，尽管理论物理学家有各种理由期待顶夸克和希格斯玻色子的存在，并通过标准模型方程将它们与W玻色子联系起来，但在今天的理论中并没有明显缺失的部分W玻色子质量的任何差异都指向未知

测量W玻色子的质量

费米实验室的Tevatron粒子对撞机曾经是世界上最强大的加速器。

CDF项目对W玻色子质量的最新测量是基于对Tevatron在2002年至2011年生产的约400万个W玻色子的分析当Tevatron用质子撞击反质子时，W玻色子往往出现在随后的混沌中然后W玻色子会衰变成一个中微子和一个μ子或电子，后两者可以直接被探测到μ子或电子越快，产生它的W玻色子就越重

美国杜克大学的物理学家Ashuto Shkott Waal是CDF最近合作分析的幕后推手，他的职业生涯都致力于完善这一框架W玻色子实验的核心是一个装有3万根高压电线的圆柱形小室当μ介子或电子穿过它时，这些高压线会发生反应，这样CDF的研究人员就可以推断出粒子的路径和速度知道每根导线的准确位置是获得粒子精确轨迹的关键在新的分析中，Coteval和他的同事使用了以宇宙射线形式从天空落下的μ子这些粒子就像子弹一样，以近乎完美的直线穿过探测器，使研究人员能够探测到任何不稳定的导线，并将导线的位置固定在1微米以内

研究人员还花了几年时间在数据发布之间进行彻底的交叉检查，以独立的方式重复测量结果，以确保Tevatron的每个特性都得到充分理解与此同时，W玻色子的测量值积累得越来越快CDF最新的分析报告发布于2012年，涵盖了Tevatron前五年的数据在接下来的四年里，数据量再次翻了两番这就像消防水管里的水，比你喝水的速度还快，科特瓦尔说

距离上次分析近十年，CDF合作项目终于公布了结果在2020年11月的一次Zoom会议上，Coteval按下了一个按钮来解密团队的结果这里所有的物理学家都陷入了沉默，似乎在思考这些结果意味着什么他们发现W玻色子的质量为804.33亿电子伏特，误差约为9MeV这使得它比标准模型预测的重76兆电子伏，这个误差大约是测量或预测误差的7倍

科学家通常使用几个sigmas来判断测量的重要性当sigma超过5时，科学家就有信心做出了确定的发现，CDF的测量结果达到7 sigma，可以说是非常明确的结果可是，ATLAS和其他实验的低测量值使研究人员不得不停下来

新的测量是错误的，还是意味着新的突破。

费米实验室CDF探测器的粒子碰撞计算机图像显示了一个W玻色子衰变为一个正电子和一个不可见的中微子。

伴随着Tevatron的关闭，确认或否定CDF测量结果的责任落在了大型强子对撞机上事实上，这个装置产生的W玻色子比Tevatron还多，但它更高的碰撞率使得W玻色子质量的分析更加复杂可是，通过收集更多的数据——可能在较低的光束强度下——LHC有望在未来几年解决这些问题

与此同时，理论物理学家必须开始思考超重的W玻色子可能意味着什么当μ子衰变为电子时，它会短暂地释放W玻色子，W玻色子可以与其他粒子相互作用，甚至与未发现的粒子相互作用这种与未知粒子的相互作用可能导致W玻色子质量测量的偏差

另一种可能性是，更重的W玻色子可能是由另一个希格斯玻色子引起的，它比已知的希格斯玻色子更不活跃或者，可能是因为一种新的大质量玻色子介导了一种弱力的变体，或者是由多个粒子组成的复合希格斯玻色子，一种新的力将它们结合在一起

一些理论物理学家怀疑W玻色子的质量异常可能源于超对称理论预言的粒子超对称理论是一个研究了很久的框架它将物质的粒子与有承载能力的粒子联系起来，并为每个已知的粒子假设一个未被发现的相反类型的粒子——或者可以称之为伙伴可是，科学家们一直无法在大型强子对撞机中找到超对称粒子，超对称理论也不再流行，但一些理论物理学家仍然认为该理论是正确的

实验物理学家在精密测量方面的辛勤工作让研究人员更加乐观地认为，期待已久的突破即将到来总的来说，物理学家正在接近突破的时刻，也正在接近真正超越标准模型

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