挑战标准模型？最新W玻色子质量测量值高出理论7个标准差北京时间4月8日凌晨

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北京时间4月8日凌晨，《Science》封面文章报道了美国费米国家加速器实验室公布的Tevatron质子-反质子对撞机CDF实验组对W玻色子质量的最新测量结果。文章称，在前所未有的实验精度下， W玻色子质量为80433.5±9.4MeV/c^2 ，比理论预言值80357±6MeV/c^2高出7个标准差。那么，这一结果是否挑战了现有的粒子物理标准模型，预示着将出现新物理？
编译|刘航
审校|任愚、费进
北京时间2022年4月8日2时，美国CDF（ColliderDetectoratFermilab ，费米实验室的对撞机探测器）国际合作组发布了W玻色子质量测量迄今为止最精确的结果，比粒子物理标准模型的理论预言值高了7个标准差。该实验结果作为封面文章发表在4月7日的《科学（Science）》杂志上。
粒子物理标准模型是迄今最为成功的基本粒子理论，其描述了组成物质的所有已知基本粒子及它们之间的强力、弱力和电磁力三种基本相互作用。强力将夸克和核子等束缚在一起构成了原子核，电磁力将原子核和电子结合在一起构成了原子和分子，那弱力有什么作用呢？事实上，弱力是至关重要的，尤其是对像太阳这样的大质量天体而言。弱力的载体是W和Z玻色子，与电中性的Z玻色子不同的是， W玻色子带有电荷。这意味着质子可以通过发射带正电的W+玻色子而转变为中子（W+是W?的反粒子）；四个氢核（即质子）可以挤压融合在一起最终形成氦核。在这个氢核聚变可释放大量能量，从而维持太阳内部的燃烧。
W玻色子于1980年代在欧洲核子研究中心（CERN–法语：ConseilEuropéennpourlaRechercheNucléaire）的超级质子-反质子同步加速器中被发现。它的质量在大型电子正电子对撞机（LEP ， LEPII ，也在欧洲核子研究中心）、费米实验室的Tevatron质子-反质子对撞机及大型强子对撞机（LHC）的探测器ATLAS上都进行了测量。与粒子物理学标准模型中的其它基本粒子一样， W玻色子的质量也源于Brout-Englert-Higgs机制，是粒子物理学标准模型的一个关键参数。正是对W玻色子质量的粗略测量，使得物理学家在1990年以合理的精度预测了顶夸克的质量。而后，利用W玻色子质量和顶夸克质量，研究人员对希格斯玻色子的质量做了类似的预测，并于2012年在CERN得到了实验证实。

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图1.费米实验室的对撞机探测器(CDF) ，其在Tevatron粒子加速器上进行了重新设置安装。 CDF进行了W玻色子质量的精确测量实验， W玻色子的质量是粒子物理标准模型的关键参数。丨图源：科学史图片/AlamyStockPhoto
在粒子物理学中，数据往往会比生成数据的探测器存留更长的时间。十年前，费米实验室重达4100吨的CDF探测器达到其使用期限并被关闭，其部件被拆解用于其它实验。现在，对旧CDF数据的新分析发现了W玻色子质量的惊人差异。由于W玻色子的衰变模式在实验上的探测困难，其质量测量精度一直停留在几十个MeV/c^2量级，最好的单个实验的精度也在二十个MeV/c^2左右。这与W玻色子的姊妹粒子——Z玻色子的质量测量精度（2MeV/c^2）反差极大。实验粒子物理学家为了提高测量精度付出了长期的不懈努力。
此次， CDF实验合作组利用其二期运行（RunII）期间收集的所有数据，对W玻色子的质量进行了目前为止最为精确的测量和评估，误差（包括统计误差和系统误差）首次降至个位数——9MeV/c^2（图2）。这一结果的精度达到了0.01% ，超越了之前任何一个相关实验的精度，也超越了之前所有相关实验结果的加权综合精度，因此树立了用W玻色子质量的精确测量对标准模型进行检验的一个新的里程碑。在这样的测量精度下， CDF实验合作组得到的W玻色子质量比粒子物理标准模型的理论预言值高了7个标准差（包括实验和理论误差）。