新测量的W玻色子会打破标准模型吗?

的粒子物理学的标准模型科学目前对宇宙基本定律的最佳框架是什么描述了三种基本力:电磁力、弱力和强力。

强力使原子核结合在一起。但有些原子核不稳定，会经历放射性衰变，通过释放粒子缓慢释放能量。这个过程是由弱力驱动的，自20世纪初以来，物理学家一直在寻找原子衰变的原因和方式的解释。18新利最新登入

根据标准模型，力是通过粒子传递的。在20世纪60年代，一系列理论与实验突破提出弱力是由W和Z玻色子传递的。它还假设第三种粒子，希格斯玻色子，是赋予所有其他粒子——包括W和Z玻色子——质量的东西。

自20世纪60年代标准模型问世以来，科学家们一直在努力研究预测到但尚未发现的粒子，并测量它们的性质。1983年，两个实验在欧洲核子研究中心在瑞士日内瓦，捕捉到了W玻色子存在的第一个证据．它的质量大约相当于一个中等大小的原子，比如溴。

到21世纪初，标准模型只缺一个部分，将所有东西联系在一起:希格斯玻色子。我在三个连续的实验中帮助寻找希格斯玻色子，最后我们2012年发现的在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

标准模型是完整的，我们所做的所有测量都与预测完美地联系在一起。

测试标准模型很有趣。你只需要以非常高的能量将粒子粉碎在一起。这些碰撞会短暂地产生较重的粒子，然后衰减回较轻的粒子。物理学家在费米实验室和欧洲核子研究中心等地方使用巨大而非常灵敏的探测器来测量这些碰撞中产生的粒子的性质和相互作用。

在CDF中，大约产生W玻色子千万分之一当质子和反质子碰撞时。反质子是质子的反物质版本，质量完全相同，但电荷相反。质子是由叫做夸克的更小的基本粒子组成的，反质子是由反夸克组成的。是夸克和反夸克之间的碰撞创造W玻色子．W玻色子衰变如此之快以至于无法直接测量。因此，物理学家通过追踪W玻色子衰变产生的能量来测量W玻色子的质量。

自科学家首次发现W玻色子的证据以来的40年里，连续的实验已经获得了对其质量的更精确测量。但是，只有在测量希格斯玻色子之后——因为它给所有其他粒子提供质量——研究人员才能将测量到的W玻色子的质量与W玻色子的质量进行对比标准模型预测的质量．预测和实验总是吻合的——直到现在。

费米实验室的CDF探测器在精确测量W玻色子方面表现出色。从2001年到2011年，加速器对质子和反质子进行了数万亿次碰撞，产生了数百万W玻色子，并从每次碰撞中记录了尽可能多的数据。

费米实验室团队发表了初步结果使用2012年数据的一小部分。我们发现质量有一点偏差，但与预测接近。随后，该团队花了10年时间，煞费苦心地分析了全部数据集。这一过程包括多次内部交叉检查，并需要数年的计算机模拟。为了避免在分析中出现任何偏差，在完整的计算完成之前，没有人能看到任何结果。

当物理界终于在2022年4月7日看到结果时，我们都很惊讶。物理学家测量基本粒子质量的单位是数百万电子伏特(简称MeV)。W玻色子的质量结果是80433兆电子伏特-比标准模型预测的要高70兆电子伏。这似乎是一个微小的过剩，但测量精确到9兆电子伏特以内。这一偏差几乎是误差范围的8倍。当我和我的同事看到结果时，我们的反应是响亮的“哇!”

W玻色子的测量质量与标准模型中的预测质量不符，这一事实可能意味着三件事。要么是数学错误，要么是测量错误，要么是标准模型中缺少了什么。

首先是数学。为了计算W玻色子的质量，物理学家使用希格斯玻色子的质量。欧洲核子研究中心的实验已经允许物理学家测量希格斯玻色子的质量误差不超过四分之一个百分点。此外，理论物理学家已经几十年来一直致力于W玻色子的质量计算．虽然数学计算很复杂，但预测是可靠的，不太可能改变。

下一种可能是实验或分析中的缺陷。世界各地的物理学家已经在审查这个结果，试图找出其中的漏洞。此外，欧洲核子研究中心未来的实验可能最终会获得更精确的结果，从而证实或反驳费米实验室的质量。但在我看来，这个实验是目前可能的最好的测量方法。

这就剩下了最后一个选择:有一些无法解释的粒子或力导致W玻色子的质量向上移动。甚至在这个测量之前，一些理论家就已经提出潜在的新粒子或力这将导致观察到的偏差。在接下来的几个月和几年里，我预计会有大量的新论文试图解释W玻色子令人困惑的质量。

作为一名粒子物理学家，我有信心说，在标准模型之外，一定有更多的物理学有待发现。如果这个新结果站得住脚，它将是一系列最新的发现，表明标准模型和现实世界的测量经常是一致的18新利最新登入不不太匹配。正是这些谜团给物理学家提供了新的线索和新的理由，让他们继续寻求对物质、能量、空间和时间更全面的理解。

约翰·康威他是一位实验性高能粒子物理学家，目前从事两项大型实验:伊利诺伊州巴达维亚费米实验室Tevatron的CDF实验和瑞士日内瓦欧洲核子研究中心大型强子对撞机的CMS实验。他接受美国能源部和美国国家科学基金会的资助。

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