機(jī)器之心合集

編輯：張倩、陳平

如果這一發(fā)現(xiàn)得到其他實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，將是顛覆粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的重大突破。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種稱為W 玻色子的基本粒子似乎比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的重0.1%。這種微小的差異可能預(yù)示著基礎(chǔ)物理學(xué)的重大轉(zhuǎn)變。結(jié)果出現(xiàn)在新一期《科學(xué)》雜志的封面上。

測(cè)量結(jié)果來(lái)自美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)舊粒子對(duì)撞機(jī)—— Tevatron，十年前它粉碎了最后的質(zhì)子。此后，由400多名成員組成的CDF（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)探測(cè)器）團(tuán)隊(duì)繼續(xù)分析對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的W玻色子，跟蹤無(wú)數(shù)的誤差源，以達(dá)到無(wú)與倫比的精度。

如果W玻色子的“額外0.1%重量”能夠被獨(dú)立證實(shí)，那么意味著自然界中還有一些我們尚未發(fā)現(xiàn)的粒子或力，這將帶來(lái)量子物理定律的第一次重大變化。半個(gè)世紀(jì)。改寫(xiě)。

馬德里理論物理研究所的物理學(xué)家斯文·海涅邁爾(Sven Heinemeyer) 表示，“這將徹底改變我們看待世界的方式”，甚至可能與2012 年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子一樣重要。 “希格斯粒子非常符合之前已知的圖像。但這一發(fā)現(xiàn)代表了一個(gè)全新的領(lǐng)域?！?

這一發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)正值物理學(xué)界渴望發(fā)現(xiàn)粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的缺陷之際。標(biāo)準(zhǔn)模型是一組長(zhǎng)期主導(dǎo)物理學(xué)并涵蓋所有已知粒子和力的方程。眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的，很多問(wèn)題很難借助標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋，比如暗物質(zhì)的本質(zhì)。 CDF 小組的良好記錄使他們的新結(jié)果對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成了可信的威脅。

在粒子物理學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)模型（SM）是一組描述三種基本力：強(qiáng)力、弱力和電磁力以及構(gòu)成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場(chǎng)論的范疇，與量子力學(xué)和狹義相對(duì)論兼容。對(duì)上述三種力的幾乎所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與該理論的預(yù)測(cè)一致。但標(biāo)準(zhǔn)模型還不是萬(wàn)有理論，主要是因?yàn)樗鼪](méi)有描述引力。標(biāo)準(zhǔn)模型中有61種基本粒子，包括費(fèi)米子和玻色子——種。費(fèi)米子具有半奇自旋并遵守泡利不相容原理（該原理規(guī)定沒(méi)有相同的費(fèi)米子可以占據(jù)相同的量子態(tài)）粒子；玻色子具有整數(shù)自旋，不遵守泡利不相容原理。

“他們已經(jīng)完成了數(shù)百次漂亮的測(cè)量，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的理論物理學(xué)家艾達(dá)·埃爾-卡德拉(Aida El-Khadra) 說(shuō)。 “他們以嚴(yán)謹(jǐn)著稱?！?

但還沒(méi)有人開(kāi)香檳。雖然單獨(dú)來(lái)看，CDF 測(cè)量的W 玻色子質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)相差甚遠(yuǎn)，但其他小組的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)有太大不同（盡管不太精確）。例如，2017年，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的ATLAS實(shí)驗(yàn)也測(cè)量了W玻色子的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它只比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的重一根頭發(fā)絲。 CDF 和ATLAS 之間的沖突表明，至少有一組在他們的實(shí)驗(yàn)中錯(cuò)過(guò)了一些微妙的怪癖。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的鳥(niǎo)瞰圖。環(huán)形隧道全長(zhǎng)27.36公里。

歐洲核研究組織的物理學(xué)家紀(jì)堯姆·施密特說(shuō)：“我希望CDF 結(jié)果得到證實(shí)，并了解它與之前的測(cè)量有何不同?！痹摻M織的實(shí)驗(yàn)室擁有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，也是ATLAS 實(shí)驗(yàn)的成員?！按笪餮髢砂兜腤玻色子一定是相同的?！?

“這是一項(xiàng)具有里程碑意義的工作，”麻省理工學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家Frank Wilczek 說(shuō)，“但很難知道如何利用這一結(jié)果?！?

W（弱）玻色子

在物理學(xué)中，W 和Z 玻色子是負(fù)責(zé)傳遞弱力的基本粒子。弱力是宇宙四種基本力（萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)力（強(qiáng)力）、弱力（弱力））之一。四個(gè)基本力參數(shù)以微妙的平衡構(gòu)成了當(dāng)今已知的宇宙環(huán)境。這些參數(shù)甚至可以精確到小數(shù)點(diǎn)后無(wú)數(shù)位。這些參數(shù)中任何一個(gè)的變化都會(huì)引起整個(gè)宇宙的徹底改變。

與重力、電磁力和強(qiáng)力不同，弱力不會(huì)產(chǎn)生太大的推力或拉力，而是將較重的粒子轉(zhuǎn)化為較輕的粒子。例如，子自發(fā)衰變成W玻色子和中微子，然后W玻色子變成電子和另一個(gè)中微子。相關(guān)的亞原子變形會(huì)產(chǎn)生放射性并有助于保持陽(yáng)光燦爛。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF 探測(cè)器中粒子碰撞的計(jì)算機(jī)圖像顯示W(wǎng) 玻色子衰變成正電子（洋紅色塊，左下）和不可見(jiàn)的中微子（黃色箭頭）。資料來(lái)源：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室/科學(xué)圖片庫(kù)

在過(guò)去的40 年里，W 和Z 玻色子的質(zhì)量已通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)量。 W玻色子的質(zhì)量被證明是一個(gè)特別有吸引力的目標(biāo)。其他粒子的質(zhì)量只能被簡(jiǎn)單地測(cè)量并接受為自然事實(shí)，但W 玻色子的質(zhì)量可以通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)模型方程中納入一些其他可測(cè)量的量子特性來(lái)預(yù)測(cè)。

幾十年來(lái)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和其他地方的實(shí)驗(yàn)學(xué)家利用W 玻色子周?chē)倪B接網(wǎng)絡(luò)來(lái)嘗試檢測(cè)更多粒子。一旦研究人員準(zhǔn)確測(cè)量了對(duì)W 粒子質(zhì)量影響最大的因素，例如電磁力的強(qiáng)度和Z 玻色子的質(zhì)量，他們就可以開(kāi)始感受到對(duì)其質(zhì)量的較小影響。

這種方法使20 世紀(jì)90 年代的物理學(xué)家能夠預(yù)測(cè)稱為頂夸克的粒子的質(zhì)量。他們?cè)?1 世紀(jì)初重復(fù)了這一壯舉：在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之前預(yù)測(cè)其質(zhì)量。

但是，盡管理論學(xué)家有各種各樣的理由預(yù)期頂夸克和希格斯玻色子的存在，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型方程與W 玻色子聯(lián)系起來(lái)，但今天的理論并沒(méi)有明顯的缺失。 W 玻色子質(zhì)量的任何差異都指向未知。

測(cè)量W 玻色子的質(zhì)量

CDF對(duì)W玻色子質(zhì)量的最新測(cè)量是基于對(duì)Tevatron在2002年至2011年間產(chǎn)生的約400萬(wàn)個(gè)W玻色子的分析。當(dāng)Tevatron將質(zhì)子碰撞成反質(zhì)子時(shí)，W玻色子通常會(huì)出現(xiàn)在隨后的混亂中。然后，W 可以衰變成中微子和 子/電子，兩者都可以直接檢測(cè)到。 子或電子速度越快，產(chǎn)生它的W 玻色子就越重。

杜克大學(xué)物理學(xué)家、CDF 背后的推動(dòng)者阿舒托什·科特瓦爾(Ashutosh Kotwal) 正在致力于完善該計(jì)劃。 W 玻色子實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)圓柱形室，里面裝滿了30,000 根高壓線，當(dāng) 子或電子穿過(guò)高壓線時(shí)，這些高壓線會(huì)發(fā)生反應(yīng)。這使得CDF 研究人員能夠推斷粒子的路徑和速度。在此過(guò)程中，了解每根導(dǎo)線的確切位置是獲得準(zhǔn)確的粒子軌跡的關(guān)鍵。在新的分析中，科特瓦爾和他的同事利用了以宇宙射線形式從天而降的介子。這些子彈狀粒子以近乎完美的直線連續(xù)穿過(guò)探測(cè)器，使研究人員能夠探測(cè)到任何不穩(wěn)定的導(dǎo)線，并將導(dǎo)線位置固定在1微米以內(nèi)。

阿舒托什·科特瓦爾

Kotwal 研究團(tuán)隊(duì)還在數(shù)據(jù)發(fā)布之間的幾年里以獨(dú)立的方式進(jìn)行了詳盡的交叉檢查和重復(fù)測(cè)量，以確保他們了解Tevatron 的每一個(gè)特性。與此同時(shí)，W 玻色子的測(cè)量結(jié)果積累得越來(lái)越快。 CDF 在2012 年發(fā)表了一篇論文，編號(hào)為《Precise measurement of the W-boson mass with the CDF II detector》，涵蓋了Tevatron 前五年的數(shù)據(jù)，在接下來(lái)的四年里翻了兩番。

“這就像消防水龍帶中的水，比你喝水的速度更快，”科特瓦爾幽默地說(shuō)。

在2020 年11 月的Zoom 會(huì)議上，Kotwal 詳細(xì)介紹了團(tuán)隊(duì)的最新成果。在場(chǎng)的物理學(xué)家們一邊消化著這個(gè)答案，一邊沉默了。他們發(fā)現(xiàn)W玻色子的重量為804.33億電子伏特（MeV），這給他們帶來(lái)了大約9 MeV的誤差。這使得它比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的重76 MeV，這一差異約為測(cè)量或預(yù)測(cè)誤差范圍的七倍。

在科學(xué)界，科學(xué)家使用西格瑪?shù)臄?shù)量來(lái)判斷測(cè)量的重要性。如果sigma 小于3，科學(xué)家會(huì)認(rèn)為它無(wú)趣。如果西格瑪在3 到5 之間，科學(xué)家就會(huì)感興趣，并將其稱為“發(fā)現(xiàn)的證據(jù)”。如果sigma 大于5，則科學(xué)家確信差異是真實(shí)且有意義的。對(duì)于5 以上的西格瑪，科學(xué)家通常將他們的論文命名為“Observations on.”。 5西格瑪是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。 CDF的測(cè)量結(jié)果是7 sigma，按理說(shuō)這應(yīng)該被宣布為重大發(fā)現(xiàn)。但ATLAS 和其他實(shí)驗(yàn)的低測(cè)量結(jié)果讓他們猶豫了。

“我想說(shuō)，這與其說(shuō)是一個(gè)發(fā)現(xiàn)，不如說(shuō)是一種挑釁，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室理論物理學(xué)家克里斯·奎格（Chris Quigg）說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。 “這讓我們有理由接受這個(gè)異常值?！?

新的CDF測(cè)量結(jié)果是錯(cuò)誤的，或者期待已久的突破即將到來(lái)

當(dāng)Tevatron 積聚灰塵時(shí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將承擔(dān)確認(rèn)或反駁CDF 測(cè)量結(jié)果的責(zé)任。該設(shè)備已經(jīng)比Tevatron 產(chǎn)生更多的W 玻色子，但其更高的碰撞率使W 質(zhì)量分析變得復(fù)雜。然而，通過(guò)收集額外的數(shù)據(jù)——可能在較低的光束強(qiáng)度——LHC可以在未來(lái)幾年解決這些問(wèn)題。

與此同時(shí)，理論學(xué)家們想知道超大W 玻色子可能意味著什么。

當(dāng)子衰變成電子時(shí)，它會(huì)短暫地發(fā)射出W玻色子，它可以與其他粒子，甚至是未被發(fā)現(xiàn)的粒子相互作用。這個(gè)未知數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致W 的質(zhì)量測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。

此外，研究人員還給出了一些其他可能的原因。例如，W玻色子的額外重量可能是由第二個(gè)希格斯玻色子引起的，它比我們所知的希格斯玻色子更大。玻色子不太活躍；或者一個(gè)新的大質(zhì)量玻色子傳遞弱力的一種變體；或者多個(gè)粒子形成復(fù)合希格斯玻色子（它們組合在一起的新力）。

一些理論家開(kāi)始質(zhì)疑超對(duì)稱理論預(yù)測(cè)的粒子。超對(duì)稱性是費(fèi)米子和玻色子之間的對(duì)稱性，在自然界中尚未觀察到。該框架將物質(zhì)粒子與承載力的粒子聯(lián)系起來(lái)，為每個(gè)已知粒子建立一個(gè)相反類型的未被發(fā)現(xiàn)的粒子（稱為“伙伴”）。但這個(gè)“超級(jí)伙伴”未能在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上實(shí)現(xiàn)，超對(duì)稱性也不再流行，但一些理論家仍然認(rèn)為這是真的。

粒子物理學(xué)中的超對(duì)稱性。概念圖顯示了超對(duì)稱原理(SUSY) 引入的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子及其較重的超對(duì)稱伙伴。

Heinemeyer 和他的合作者最近計(jì)算出，某些超對(duì)稱粒子可以解釋另一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)模型不一致的假設(shè)，即 子g-2 異常。這樣做時(shí)，這些粒子也使W 玻色子的質(zhì)量略有增加，盡管不足以匹配CDF 測(cè)量結(jié)果。 “令人著迷的是，幫助我們解決g-2 問(wèn)題的相同粒子也可能幫助我們解決W 玻色子質(zhì)量問(wèn)題，”Heinemeyer 說(shuō)。

研究人員相信期待已久的突破即將到來(lái)。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，感覺(jué)我們正在接近某種東西即將爆炸的臨界點(diǎn)，我們正在接近一個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的真實(shí)模型，”埃爾-卡德拉說(shuō)。

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-article-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/