然而 ， 尽管理论物理学家们有各种理由期待顶夸克和希格斯玻色子的存在 ， 并通过标准模型方程将其与W玻色子联系起来 ， 但今天的理论并没有明显缺失的部分 。 W玻色子质量的任何差异都指向未知 。
测量W玻色子的质量
费米实验室的Tevatron粒子对撞机曾经是世界上最强大的加速器CDF项目对W玻色子质量的最新测量是以Tevatron在2002年到2011年间产生的大约400万个W玻色子的分析为基础来完成的 。
当Tevatron用质子来撞击反质子时 ， W玻色子经常会在随后的混乱中出现 。 然后W玻色子会衰变为一个中微子和一个μ介子或电子 ， 后两者都可以直接探测到 。 μ子或电子越快 ， 产生它的W玻色子就越重 。
美国杜克大学的物理学家阿舒托什?科特瓦尔是CDF最近这些合作分析的幕后推手 ， 他的职业生涯都致力于完善这一框架 。
W玻色子实验的核心是一个装有3万根高压导线的圆柱形腔室 ， 当μ介子或电子穿过其中时 ， 这些高压导线就会发生反应 ， 从而使CDF的研究人员推断出粒子的路径和速度 。 了解每根导线的确切位置是获得粒子精确轨迹的关键 。
在进行新的分析时 ， 科特瓦尔和他的同事利用了从天空中以宇宙射线形式落下的μ介子 。 这些粒子像子弹一样 ， 以近乎完美的直线穿过探测器 ， 让研究人员能够探测到任何不稳定的导线 ， 并将导线的位置固定在1微米以内 。
研究人员还花了数年时间在数据发布之间进行详尽的交叉检查 ， 以独立的方式重复测量结果 ， 以确保充分了解Tevatron的每一个特性 。 与此同时 ， W玻色子的测量值积累得越来越快 。
CDF最近一份分析报告发布于2012年 ， 涵盖了Tevatron头五年的数据 。 在接下来的四年里 ， 数据量又翻了两番 。 “它就像消防水管的水一样冲过来 ， 比你喝水的速度还快 ， ”科特瓦尔说道 。
距离最后一次分析近十年后 ， CDF合作项目终于公布了结果 。 在2020年11月的一次Zoom会议上 ， 科特瓦尔按下一个按键 ， 解密了该团队的结果（他们使用了加密数据 ， 使得数字不会影响他们的分析） 。 在座的物理学家们陷入沉默 ， 似乎都在思索这些结果意味着什么 。
他们发现 ， W玻色子的质量为804.33亿电子伏特（MeV） ， 误差在9MeV左右 。 这使得它比标准模型预测的要重76MeV ， 这个误差大约是测量或预测误差的7倍 。
科学家通常用若干sigma来判断一项测量的重要程度 ， 当sigma超过5时 ， 科学家就有信心宣布自己取得了确定性的发现 ， 而CDF的测量结果达到了“7 sigma” ， 可以说是非常明确的结果 。 然而 ， ATLAS和其他实验的低测量值让研究人员不得不停了下来 。
是新的测量有误 ， 还是意味着新的突破？
费米实验室CDF探测器的粒子碰撞计算机图像 ， 显示了一个W玻色子衰变成一个正电子（左下洋红色块）和一个看不见的中微子（黄色箭头）随着Tevatron的关闭 ， 确认或否定CDF测量结果的责任落在了大型强子对撞机（LHC）上 。 事实上 ， 该装置已经产生了比Tevatron更多的W玻色子 ， 但其更高的碰撞率使得对W玻色子质量的分析更加复杂 。 不过 ， 通过收集更多的数据——可能是在更低的束流强度下——LHC有望在未来几年解决这些问题 。
与此同时 ， 理论物理学家们不得不开始思考“超重的”W玻色子可能意味着什么 。 一个μ介子在衰变为电子时会短暂地释放出W玻色子 ， 这中间W玻色子可以与其他粒子相互作用 ， 甚至与尚未被发现的粒子相互作用 。 这种与未知粒子的相互作用可能使W玻色子的质量测量出现偏差 。
另一种可能是 ， 较重的W玻色子可能是由另一个希格斯玻色子导致的 ， 它比我们已知的希格斯玻色子更不活跃 。 或者 ， 这可能是由于一种新的大质量玻色子介导了一种弱力的变体 ， 或者是由多个粒子组成的“复合”希格斯玻色子 ， 一种新的力将它们结合在一起 。
一些理论物理学家怀疑 ， W玻色子质量的异常可能源于超对称性理论所预测的粒子 。
超对称性理论是一个得到长期研究的框架 ， 将物质粒子和承载力的粒子联系起来 ， 为每一个已知的粒子都假定了一个尚未发现的相反类型的粒子——或可称为“拍档”（费米子的超对称粒子） 。
不过 ， 科学家在大型强子对撞机中一直未能发现超对称粒子 ， 超对称性理论也就不再流行了 ， 但一些理论物理学家仍相信该理论是正确的 。
斯文·海因迈耶和他的合作者最近计算出 ， 某些超对称粒子能够解决另一种假定的与标准模型不符的现象 ， 即μ子g-2异常 。 这样一来 ， 这些粒子也可能使W玻色子的质量略微上升 ， 尽管还不足以匹配CDF的测量结果 。 他说：“帮助我们研究g-2的粒子 ， 也可能帮助我们研究W玻色子质量 ， 这很有意思 。 ”
推荐阅读
- 我们能保护地球免受小行星的撞击吗？
- 原子，能被人类尽窥吗？
- 中国的三大粒子加速器
- 暗物质粒子终于被发现了？这种神秘物质可能就是惰性中微子
- 雕 天空制霸
- 平行世界，平行宇宙是否可能存在：物理学家正在研究多世界诠释
- 牛的眼睛怎么回事，为什么那么不喜欢红色？
- “炁”（qi）、能量场与“旋理论”的暗物质结构分析
- 全球最大粒子对撞机已重启，中国曾欲建造，却被杨振宁阻止