在粒子物理學中，資料比產生它的探測器壽命更長。十年前，重達4100公噸的費米實驗室碰撞探測器（CDF）壽終正寢並被關閉，其部件被拆除用於其他實驗。現在，對舊CDF資料的一項新分析揭示了一個驚人的差異，即基本粒子W玻色子的質量差異，這可能為尚未發現的新粒子和相互作用指明方向。
W玻色子質量巨大，大約是質子的80倍。至關重要的是，W玻色子負責某些形式的放射性衰變，允許中子轉化為質子。由於其質量受到標準模型（粒子物理學家關於基本粒子及其行為的理論）中許多其他粒子和引數的約束（並且自身也約束著它們），W玻色子已成為研究人員的目標，他們試圖瞭解他們最好的理論在何處以及如何失效。
儘管物理學家長期以來都知道W玻色子的近似質量，但他們仍然不完全清楚。然而，將資料代入標準模型框架預測，所謂的W質量應為80,357兆電子伏特（MeV），正負誤差為6 MeV。（一個MeV大約是單個電子所含質量能量的兩倍。）但在週四發表在《科學》雜誌上的一項新分析中，CDF合作組織的物理學家反而發現W玻色子的質量為80,433.5 ± 9.4 MeV。這項新測量比以往所有測量的精度都高，比標準模型的預測高出近77 MeV。儘管這些數字僅相差約千分之一，但每個數字的不確定性都非常小，以至於即使是這種微小的偏差也具有巨大的統計意義——它極不可能僅僅是偶然產生的幻覺。看來，經過充分研究的W玻色子仍然掌握著關於亞原子世界運作方式的許多秘密——或者至少是我們研究它的方式的秘密。粒子物理學家們措手不及，才剛剛開始認真思考其影響。
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“沒有人預料到這種差異，”日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的實驗物理學家馬丁·穆爾德斯說，他沒有參與這項新研究，但與人合寫了《科學》雜誌上的一篇評論。“這非常出乎意料。你幾乎感到被背叛了，因為突然之間他們鋸掉了真正支撐粒子物理學整個結構的一條腿。”
尋找夸克
正是對W玻色子質量的粗略測量，使得物理學家在1990年能夠在頂夸克首次被觀測到五年前合理準確地預測出頂夸克的質量。然後，利用W玻色子質量和頂夸克質量，研究人員對希格斯玻色子做出了類似的預測——這在2012年得到了驚人的證實。最近，進行此類測量的物理學家們較少關注改進標準模型的核心能力，而更多關注探測其缺陷——例如，它沒有納入引力、暗物質、中微子質量或許多其他棘手現象。物理學家們說，探究標準模型失效或以其他方式偏離觀測結果的地方，是尋找“新物理學”的最佳方法之一，“新物理學”是他們用來指代尋找宇宙的額外、可能更基本的組成部分的統稱。在CDF結果出來之前，標準模型最令人關注的一些差異包括費米實驗室Muon g-2實驗中研究的異常現象以及歐洲核子研究中心LHCb（大型強子對撞機beauty）實驗的結果。
小的異常現象比比皆是，絕大多數僅僅是統計波動，這些波動來自於典型的粒子物理實驗產生和記錄的極其大量的亞原子事件。在這些情況下，隨著收集到更多的資料，這些異常現象會逐漸消失。然而，最新的異常現象似乎更有希望，因為已經有大量關於W玻色子質量的預先存在的高質量資訊，而且粒子質量的理論預測具有非常低的不確定性。而且，也許最重要的是，CDF合作組織非常謹慎。該實驗是“盲法”的，以最大限度地減少人為偏見的風險，這意味著分析其資料的物理學家在其工作完成之前一直對結果一無所知。當2020年11月向團隊成員揭示CDF測量的W質量值時，“當時一片震驚的沉默，”該研究的通訊作者阿舒託什·科特瓦爾說。“意識到那個揭盲的數字意味著什麼——當然，那是純金。”
從那時起，結果又經過了多輪同行評審——但這隻能保證物理學家們已經完成了他們的功課，而不是他們已經發現了新的物理學。
挖掘資料
為了測量W玻色子的質量，首先必須建造一臺粒子對撞機。萬億電子伏特加速器（Tevatron）於1983年至2011年執行，是一個3.9英里（6.3公里）的環形結構，質子與反質子在其中碰撞，能量高達約兩萬億電子伏特（TeV）——約為W玻色子質量的25倍。CDF實驗位於環形結構沿線，從2002年到萬億電子伏特加速器關閉，一直在這些碰撞中尋找W玻色子的跡象。
但是人們不能簡單地觀察W玻色子；它衰變成其他粒子的速度太快，以至於無法在任何探測器中記錄下來。相反，物理學家必須透過研究這些衰變產物——主要是電子和μ子——來推斷它的存在和性質。透過仔細計數，CDF團隊在實驗資料中發現了約四百萬個可歸因於W玻色子衰變的事件。透過測量這些事件的電子和μ子在CDF探測器中沉積的能量，物理學家們反向推算出了W玻色子最初擁有的能量——或質量。
科特瓦爾說，這項工作花費了十年時間，因為資料中存在許多不確定性。為了達到其前所未有的精度水平——是之前ATLAS合作組織對W玻色子質量進行的最佳單次實驗測量的兩倍——CDF團隊將資料集擴大了四倍，並使用了新技術。這些技術包括模擬質子和反質子碰撞，以及對退役探測器的執行怪癖進行新的、更徹底的檢查——甚至使用舊的宇宙射線資料將其佈局精確到微米級。
這足以將研究人員的異常結果提升到驚人的統計顯著性高度：在統計學上，接近七個西格瑪。七個西格瑪意味著，如果沒有任何新的物理學影響W玻色子，那麼至少像觀測到的那樣大的差異仍然會純粹出於偶然性而出現，頻率為每8000億次實驗執行一次。即使在粒子物理學界，天文數字是常態，但這幾乎顯得有些過分：該領域統計顯著性的“黃金標準”閾值僅為五個西格瑪，這對應於給定效應每350萬次執行中偶然出現一次。至關重要的是，CDF團隊新測量的七西格瑪值並不意味著該結果有99.999999999%的可能性是新的物理學。它甚至不意味著其他W質量的測量是錯誤的。相反，七西格瑪的結果意味著CDF合作組織所看到的一切都不是偶然的。這是一個進一步探究的呼籲，而不是結論。
偵探工作
為了確定異常現象的來源，需要其他實驗的佐證。“這是一個非常壯觀的結果，”ATLAS的物理協調員紀堯姆·烏納爾說，他沒有參與這項新研究。“這是一個非常複雜和具有挑戰性的測量，它對於真正以良好的精度探測標準模型也非常重要。”ATLAS目前正在努力改進其W質量的測量，烏納爾表示，使用LHC第二次執行（於2018年結束）的資料可能使他們能夠接近CDF的精度。
與此同時，理論家們將抓住這一新結果，提出無數可能的解釋。儘管LHC已經排除了超對稱（SUSY）的許多排列組合——超對稱是一組理論，假設基本粒子具有“超粒子”夥伴——但可能略微改變W玻色子質量的一個罪魁禍首是一群相對較輕的超對稱粒子。
“當然，[LHC的限制]正變得越來越嚴格，”波蘭科學院尼古拉斯·哥白尼天文中心的理論物理學家馬尼馬拉·查克拉博蒂說，她不是CDF合作組織的成員。“但是，您仍然可以找到SUSY的允許引數空間區域。”
在新對撞機正在被提議，LHC在進行大規模檢修後準備啟動另一輪碰撞之際，來自一項早已消失、探測器已被拆卸的實驗的七西格瑪量級異常現象的宣佈可能看起來很奇怪。
但合作組織繼續開會，評估和改進實驗執行的成果。“偵探工作本身就是讓我們堅持下去的原因，”科特瓦爾說。“線索都在那裡……這就像夏洛克·福爾摩斯。人可能已經走了，但腳印還在。”