物理學家們完成了一項極其困難的測量——基本粒子 W 玻色子的質量。來自歐洲核子研究中心大型強子對撞機 (LHC)的 CMS 實驗的結果，與標準模型的預測相符，並給2022 年浮出水面的 W 玻色子質量異常潑了一盆冷水。該測量結果曾暗示存在超出標準模型的現象，而標準模型是物理學家對粒子和力的最佳描述。
“標準模型並未消亡，”麻省理工學院（位於劍橋）的粒子物理學家、CMS 合作組織成員喬什·本達維德在 9 月 17 日釋出結果時表示。在歐洲核子研究中心（CERN，歐洲的粒子物理實驗室，位於瑞士日內瓦附近，是 LHC 的所在地）舉行的研討會上宣佈這一結果時，掌聲雷動。CMS 的結果歷時 10 年才完成，測得 W 玻色子的質量為 80,360.2 兆電子伏特，W 玻色子參與了弱核力的傳遞。本達維德說，如果該發現接近 2022 年的結果，我們就會宣佈標準模型已死。
蘇黎世大學（位於瑞士）的實驗粒子物理學家弗洛倫西亞·卡內利說：“該社群將對我們能夠達到如此精度並在這種程度上理解標準模型而感到興奮。”她參與了 CMS 實驗，但未參與該結果的研究。
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物理學家的寬慰
2022 年的結果由費米國家加速器實驗室（位於伊利諾伊州巴達維亞）一項名為 CDF 的實驗得出，該實驗使用了 10 年前的資料來計算 W 玻色子比預測的更重，這開啟了標準模型出現裂縫的可能性，令物理學家興奮不已。儘管該模型非常成功，但物理學家知道它不可能完善，因為它沒有解釋暗物質等神秘現象。
CMS 的結果是 LHC 有史以來對 W 質量的最精確測量，其精度與 CDF 的結果大致相當。它也與 CDF 數值之前的四次測量結果一致，使該數值成為一個離群值。“它們不可能都正確，”杜克大學（位於北卡羅來納州達勒姆）的實驗粒子物理學家阿舒託什·科特瓦爾說，他領導了 CDF 研究。
加州大學洛杉磯分校的粒子物理學家伊麗莎貝塔·曼卡說：“如果我們發現一些與標準模型完全不同的東西，對於我們領域的未來來說可能會更好，因為那會令人興奮。”她是 CMS 發現的主要分析師之一。但就對結果的信心而言，這個數值是一種“寬慰”，她說。
基本力
W 玻色子及其姊妹粒子 Z 一起參與放射性衰變，作為弱核力的載體，弱核力是自然界的四種基本力之一。它的質量是標準模型中少數幾個可以透過理論高精度預測並透過實驗測量的數值之一。這使其成為尋找模型裂縫的絕佳途徑。“高精度可觀測值不多。這就是它重要且有價值的原因，”科特瓦爾說。
但 W 質量極難測量。LHC 透過以極高能量碰撞質子來製造玻色子。這些玻色子迅速衰變成實驗可以探測到的其他粒子。但對於 W 質量，一半的衰變是缺失的，因為玻色子僅轉化為一個可探測的粒子——輕子，例如電子或其更重的表親 μ 子。另一個粒子中微子直接穿出探測器，不留痕跡。
μ 子衰變
CMS 分析主要關注 μ 子衰變。曼卡說，該團隊以前所未有的精度重建了來自 LHC 約 1 億次 W 衰變中的 μ 子的特性。然後，他們將資料與 40 億次模擬碰撞和衰變進行了比較，這些模擬碰撞和衰變使用了不同的 W 質量值——以及可能偏倚結果的數千個其他引數的不同值——並尋找最佳匹配。“匹配度最高的就是我們提取的數值，”卡內利說。
曼卡說，該團隊使用了尖端的軟體和理論，並使用 W 的替代測量值以及針對 Z 衰變的交叉檢查來校準和交叉檢查他們的結果，以確保他們的方法按預期工作。
曼卡說，CMS 的結果與來自其他 LHC 實驗（ATLAS 和 LHCb）的結果大致一致，這些實驗使用了不同的探測器和方法，這讓該團隊確信他們得到了正確的數值。
異常評估
目前尚無人能說清為何 CDF 的結果如此突出。一種可能的原因是，該探測器使用了與 CMS 不同的理論工具來生成其模擬結果。CDF 探測到來自質子-反質子加速器Tevatron（已於 2011 年關閉）的碰撞，而 LHC 僅碰撞質子。“沒有哪一件事我們可以說是‘這就是結果如此不同的原因’，”曼卡說。
科特瓦爾說，他需要看到 CMS 論文（將在未來幾個月內發表）才能瞭解該團隊的方法。“人們一直在審查我們是如何做的，我們沒有收到任何明確的跡象表明發現了任何缺陷。CMS 也必須進行同樣的審查，”他說。
就人類對 W 質量的最佳猜測達成一致意見，將意味著彙集來自每個實驗的專家以及理論家，以試圖理解不同的結果。“我們不應將 CDF 結果視為離群值，我們需要了解它為何或如何在那裡，”卡內利說。
儘管 CMS 沒有發現異常，但為期 10 年的過程建立了允許物理學家進行其他精確測量的工具。曼卡認為，正是這種高精度比較最終將打破標準模型。
本文經許可轉載，並於 2024 年 9 月 17 日首次發表。