W玻色子質量出爐，物理學家：“標準模型沒有死”

物理學家已經確定了基本粒子W玻色子的質量。歐洲大型強子對撞機（LHC）緊湊型繆子螺線管（CMS）探測器的實驗結果與標準模型的預測一致，并向2022年出現的W玻色子質量異常潑了一盆冷水。這項研究暗示著存在標準模型之外的現象，而標準模型是物理學家對粒子和力的最佳描述。

歐洲粒子物理實驗室的CMS探測器。圖片來源：Harold Cunningham/Getty

據《自然》報道，這一消息是在歐洲粒子物理實驗室（CERN）舉行的一次研討會上宣布的。“標準模型并沒有死。”美國麻省理工學院粒子物理學家、CMS合作項目成員Josh Bendavid在9月17日宣布這一結果時說。

CMS的此次實驗結果是在10年時間里形成的，即W玻色子的質量為803.602億電子伏特。“如果這個發現接近2022年的結果，我們就會宣布標準模型的死亡。”Bendavid說。

參與CMS實驗的瑞士蘇黎世大學實驗粒子物理學家Florencia Canelli說：“我們能達到這樣的精度，并在這個水平上對標準模型有這樣的理解，這一事實將使科學界感到興奮。”

2022年的結果由美國費米國家加速器實驗室的CDF實驗得出，該實驗使用了10年前的數據，計算出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。而CMS的結果則是對LHC產生的W玻色子質量的最精確測量，其精度與CDF的結果大致相當。

美國加州大學洛杉磯分校粒子物理學家Elisisabetta Manca是CMS實驗的主要分析人員之一。“如果我們發現了與標準模型完全不同的東西，對科學界來說可能會更好，因為這對該領域的未來而言是令人興奮的。”

W玻色子及其姊妹粒子Z玻色子作為弱核力的載體參與了放射性衰變，是標準模型中為數不多的可以通過理論和實驗進行高精度預測的數值之一。這使其成為尋找標準模型“裂縫”的好方法。

但W玻色子的質量極難測量。研究團隊以前所未有的精度重建了LHC產生的約1億個W玻色子衰變的μ子特性，然后將這些數據與40億次模擬碰撞和衰變進行了比較——這些碰撞和衰變使用了不同的W玻色子質量值，以便尋找最佳的匹配結果。“匹配的就是我們要提取的那個。”Canelli說。

研究團隊利用最先進的軟件和理論，并將他們的結果與W和Z玻色子衰變的替代測量值進行了校準與交叉檢查，以確保他們的方法能夠像預期那樣奏效。

研究顯示，CMS的結果與其他大型強子對撞機實驗，如ATLAS和LHCb的結果基本一致，這些實驗運用了不同的探測器和方法。這讓團隊相信他們已經得到了正確的數字。

雖然人們從CMS實驗結果中沒有發現異常，但在10年過程中創造的工具，使物理學家能夠進行其他精確測量。Manca相信，這種高精度的比較最終將打破標準模型。