W玻色子质量实现最精确测量，或将“打破”标准模型？( 二 ) 近日

据了解，美国费米实验室的Tevatron曾为世界上最大的对撞机，在Tevatron里，质子和反质子被加速到它们的静止质量的1000倍，然后发生碰撞，从而大量产生W玻色子。 CDF是Tevatron上的一个通用型粒子探测器，粒子物理实验学家们通过研究CDF探测到的W玻色子衰变产生的带电轻子和其他产物的信息来测量W玻色子的质量。
CDF合作组经过十年的时间对收集的数据进行了非常细致的校准和分析，利用CDF二期运行期间收集的所有数据，对W玻色子的质量进行了目前世界上最为精确的测量，首次将误差（包括统计误差和系统误差）降低至个位数，即9MeV 。在粒子物理标准模型中，预期的W玻色子质量应为80357+/-6MeV 。而此次测量结果显示其质量测量值为80434+/-9MeV ，超出了标准模型的预期值。

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W玻色子质量的各实验测量与理论预测范围，图片来自Science论文
前述研究实现了0.01%的检测精度，超越了此前所有单个实验的精度，也超越了此前所有实验结果的加权综合精度，对标准模型的检验达到了一个新的里程碑。在这一精度下， CDF合作组所测量的W玻色子质量比标准模型的计算值高了七个标准偏差（包括实验和理论误差），挑战目前的标准模型。这意味着在标准模型的预言是正确的情况下， CDF实验观测到这样的实验结果的可能性仅为大概10的负十二次方。
“如果这一结果是正确的，就预示着我们的标准模型并不完美。 ”易凯解释道， “这存在两种可能，一种可能性是我们需要去修正标准模型中的计算，完善这一系统。另一种可能性是标准模型需要扩展，比如这个模型还有未被发现的基本粒子或者未被发现的基本作用力。而这些都指向新的物理现象。 ”
来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机ATLAS实验项目物理学家GuillaumeUnal则表示“希望看到另一项独立的测量来证实CDF合作组的测量结果。 ”
对此，南京师范大学、清华大学、中科院高能物理研究所、北京大学联合发起并主办了4月14日的“W质量研讨会” 。除CDF实验之外，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上的多个实验、美国费米实验室的D0实验都做过W玻色子的质量测量和其他性质研究。各实验的参会者共同探讨了W玻色子研究的现状和未来。

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“W质量研讨会”线上线下参会者在清华物理系讲堂合影
目前， ATLAS和LHCb（大型强子对撞机上底夸克探测器实验）的合作组成员已在改进对W玻色子质量的分析。欧洲核子研究中心的另一实验CMS也可以测量W粒子的质量大小。
“CDF这项结果目前只是一个实验的结果，尚需别的实验验证。另外它与目前世界上第二精确的测量即ATLAS实验的测量结果也不一致。 ”易凯表示CMS合作组现在测量带电粒子都是全部使用硅探测器，分辨率会比CDF合作组当年的更好。
而谈及在CDF合作组的经历，易凯表示从探测器的建造、电子设备的调控到控制室数据的获取、校准、重建，以及进行物理分析得到最终结果，这一过程是漫长而艰辛的，需要合作组的协作。比如易凯就曾两次作为硅探测器值班专家获取数据，一次在2001年，历时三个多月，另一次在2009年到2010年，历时一年多。 “CDF合作组最鼎盛时期有700多位成员，后来名单就固定在400位左右。 ”Tevatron在2011年停止运行之后， CDF合作组中AshutoshKotwal领导的小组对数据进行了更细致地校准和更深入地分析，并经过合作组内部严谨审核，耗时十多年最终将论文发表出来。