科学探索|W玻色子质量“超出预期” 宇宙或存在未被发现的粒子或力( 二 ) W玻色子质量“超出预期”|宇宙

在过去40年里，研究人员通过各种各样的实验测量了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诱人的研究目标。当其他粒子的质量被简单测量并作为自然事实被接受时，W玻色子的质量却只能通过在标准模型方程中结合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们一直在利用W玻色子周围的连接网络，试图探测到与其相关的其他粒子。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。
通过这种方法，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，物理学家们又重复了这一壮举：在发现希格斯玻色子之前预测了它的质量。
然而，尽管理论物理学家们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其与W玻色子联系起来，但今天的理论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

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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以Tevatron在2002年到2011年间产生的大约400万个W玻色子的分析为基础来完成的。当Tevatron用质子来撞击反质子时，W玻色子经常会在随后的混乱中出现。然后W玻色子会衰变为一个中微子和一个μ介子或电子，后两者都可以直接探测到。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阿舒托什?科特瓦尔是CDF最近这些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3万根高压导线的圆柱形腔室，当μ介子或电子穿过其中时，这些高压导线就会发生反应，从而使CDF的研究人员推断出粒子的路径和速度。了解每根导线的确切位置是获得粒子精确轨迹的关键。在进行新的分析时，科特瓦尔和他的同事利用了从天空中以宇宙射线形式落下的μ介子。这些粒子像子弹一样，以近乎完美的直线穿过探测器，让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。
研究人员还花了数年时间在数据发布之间进行详尽的交叉检查，以独立的方式重复测量结果，以确保充分了解Tevatron的每一个特性。与此同时，W玻色子的测量值积累得越来越快。CDF最近一份分析报告发布于2012年，涵盖了Tevatron头五年的数据。在接下来的四年里，数据量又翻了两番。“它就像消防水管的水一样冲过来，比你喝水的速度还快，”科特瓦尔说道。
距离最后一次分析近十年后，CDF合作项目终于公布了结果。在2020年11月的一次Zoom会议上，科特瓦尔按下一个按键，解密了该团队的结果（他们使用了加密数据，使得数字不会影响他们的分析）。在座的物理学家们陷入沉默，似乎都在思索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（MeV），误差在9MeV左右。这使得它比标准模型预测的要重76MeV，这个误差大约是测量或预测误差的7倍。
科学家通常用若干sigma来判断一项测量的重要程度，当sigma超过5时，科学家就有信心宣布自己取得了确定性的发现，而CDF的测量结果达到了“7 sigma”，可以说是非常明确的结果。然而，ATLAS和其他实验的低测量值让研究人员不得不停了下来。