费米实验室的撞机探测器，它在2011年已经被关闭。图片来源：Fermilab
标准模型是现代物理学的基石，W玻色子则是其中的一种基本粒子。
4月8日，《科学》以封面文章的形式发表了美国费米实验室的最新成果，他们用的数据来自一台十年前就被停用的加速器，却实现了当今最精确的测量精度。如果他们的结果是对的，那么很可能意味着我们能发现标准模型之外的新物理。但在那之前，人们最需要搞清楚的，是为何此次结论与其他实验的不一样。
撰文｜王昱
审校｜二七
过去60年间，粒子物理学中的标准模型（Standard Model，SM）被视为物理学中最成功的模型。数不清的粒子加速器实验，仿佛都在不断验证着标准模型的预言。2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家用大型强子对撞机（LHC）证明了希格斯玻色子的存在，为标准模型拼上了最后一块拼图。
不过，这并不意味着标准模型是完美的。它无法解释宇宙中存在的暗物质、暗能量，无法解释为什么我们今天的宇宙中物质比反物质多，无法在将引力纳入自己的框架。其实，物理学家就算不纠结这几朵连片的物理学“乌云”，仅仅是在测量结果的小数点后多填几位数字，只要测量结果和理论预测的不一致，就可能带来新物理。
一朵新的乌云
北京时间4月8日，《科学》以封面文章的形式发表了美国费米实验室（Fermilab）最新的研究成果：研究人员利用撞机探测器（Collider Detector at Fermilab，CDF）的数据，发现W玻色子的质量比标准模型预测的更重，达到了80433.5±9.4 MeV/c2（根据质能公式E=mc2，MeV/c2是质量单位）。标准模型理论预测质量应该为80357±6 MeV/c2，大约为质子质量的80倍，虽然实验结果只比理论预测多了77 MeV/c2，但是实验精度更高，和理论预测存在7倍标准差的偏差。这可能是粒子物理学领域自10年前发现希格斯玻色子以来，最重要的结果。香港科技大学物理系助理教授王一在知乎上惊呼：“垂死病中惊坐起，还能发现新物理（“W玻色子是标准模型预言的17种基本粒子中重要的一种）。标准模型包含6种夸克，6种轻子（其中有3种中微子），四种规范玻色子和剩下的一种标量玻色子——希格斯玻色子。依照人类目前的探测能力，这些就是我们能探索到的最基本的粒子。W玻色子是四种规范玻色子中的一种，它和Z玻色子一起，负责传递弱相互作用。弱相互作用是四种基本相互作用之一，它主导了β衰变，可以让中子衰变为一个质子和一个电子。β衰变在太阳核心的碳氮氧循环，是太阳持续燃烧的推手。
标准模型。图片来源：Wikipedia
W玻色子带有一个正电荷或一个负电荷，但是我们不可能像测其他粒子的质量一样用质谱仪来测量它的质量——它的寿命太短了，半衰期仅有3×10-25秒，这也是弱相互作用范围短于质子直径的原因。（相应的，光子寿命很长，所以电磁相互作用范围也很大）
W玻色子衰变产物可能是一个电子、或者是一个µ子，同时会伴随产生一个中微子。根据动量守恒和能量守恒，物理学家可以通过衰变产生的电子/µ子和中微子的能量、动量计算W玻色子的质量。电子/µ子带电，会在磁场中偏转，物理学家可以根据其轨迹分析其能量。但众所周知，中微子几乎不会和任何其他物质反应，物理学家难以确定电子/µ子的能量占原先W玻色子的比重，也就难以确定W玻色子的质量。所以，物理学家需要使用加速器，尽可能多地粉碎粒子来生产W玻色子，尽可能多地重复测量，用海量数据提升W玻色子质量计算结果的准确度。
CDF探测器中的计算机示意图。W玻色子衰变为正电子（左下角洋红色块）和看不见的中微子（黄色箭头）。图片来源：Fermilab
这就是万亿电子伏特加速器（Tevatron）上的撞机探测器（CDF）的使命。Tevatron加速器周长6千米，曾经是世界上最强的加速器。在本篇论文中，研究团队分析了2002年到2011年间的数据。实验期间，Tevatron加速器能加速对撞质子和反质子，对撞质心能量达到了1.96 TeV。长达9年的实验中，CDF在这种对撞在探测到了大约400万个W玻色子。在十余年的数据处理后，CDF团队终于实现了有史以来人类对W玻色子质量最精确的测量，精确度达到了9 MeV/c2左右。先前最精确的测量结果是LHC上的超环面仪器（ATLAS）得出的，精确度在19 MeV/c2左右。
费米实验室鸟瞰图，图中两个圆环都是Tevatron加速器的组成部分。现在Tevatron加速器已经停用，其中部分设施已被拆除。图片来源：Fermilab
极高的精确度让实验结果的置信度达到了7倍标准差。在粒子物理学领域，一般将5倍标准差及以上的置信度定义为发现的标准。因为一旦实验置信度达到了5倍标准差，就表明实验结果只有大约两百万分之一的可能是随机产生的。不过粒子物理学实验不乏耗资甚巨的大型实验，人们不可能轻易重复大型实验仪器多年来统计得出的结果，4倍、有时甚至是3倍的标准差都能引发人们讨论的欲望。而此次实验置信度达到了惊人的7倍标准差，表明结果只有大约四千亿分之一概率是偶然随机造成的——一般而言，人们会将这种概率称为不可能。
无法再现的结果
如果标准模型出错了，那么超重的W玻色子可能是标准模型之外新物理存在的信号，或许是新的基本相互作用、或许是新的粒子。CDF团队在论文中表示，可能是超对称贡献了W玻色子额外的质量，超对称是一种可能统一所有基本相互作用的物理学模型，目前科学家还没有找到它的证据。
不过，虽然费米实验室的CDF团队给出的精确度非常高，实验结果却和其他实验不一致，比如LHC的ATLAS测量就表明W玻色子质量符合标准模型的预测。非常规的结论需要非常规的证据，面对CDF的成果，现在物理学家最需要的，其实是其他实验的独立验证。英国物理学家米卡·维斯特林（Mika Vesterinen）表示，LHC的ATLAS和LHCb都正在测量W玻色子的质量，未来几年内，它们都应该能证明CDF的成果——当然，也可能证伪。
此次CDF团队测量结果（CDF Ⅱ）和其他实验测量结果（如ATLAS）并不一致，中间灰色条带为标准模型预言的W玻色子质量范围。图片来源：SCIENCE • 7 Apr 2022 • Vol 376, Issue 6589 • pp. 170-176
虽然CDF的成果是大量科学家十余年工作成果的结晶，但有些错误终究难以排除。比如2011年，探测中微子振荡的OPERA实验组就宣布他们测得的中微子速度超越了真空中的光速。最终，在接近一年的细致排查后，OPERA实验组发现这是由一个光纤接口不牢固导致的。但是，CDF团队却没有重头再来仔细排查实验设置的机会了。因为他们做实验用的Tevatron加速器已经在2011年因为缺乏经费关闭。
当年的罪魁祸首。图片来源：G. Sirri/INFN BOLOGNA
2011年，Tevatron加速器结束了第二轮运行后，并没有准备进行第三次运行。反而，它因为缺乏经费被关闭，并在随后的几年中逐渐被拆除，部分拆下的设备被移交给其他实验使用。CDF合作组2012年时在《物理评论快报》上发布了初步分析结果，那时他们从数据中提取了大约100万个W玻色子。从那时起到现在的十余年里，CDF合作组没有获得任何新的实验数据。十年过去，他们成功将粒子轨迹的分辨率从150微米提升到30微米，同时又从数据中提取了300万个W玻色子，最终大幅提升了测量的准确性，完成了迄今为止最精确的W玻色子测量——精确度达到了117ppm（ppm表示每百万分之一）。
几年内，现有的实验结果就能证明或证伪CDF合作组的成果。在更远的未来，CERN计划中的未来环形对撞机（FCC-ee）将能达到更高的测量精度，灵敏度将能达到7ppm。
阴雨天的狂欢
不过，就算已经强调过实验结果还需要其他实验的独立验证，这并不能抵挡理论专家探讨的热情。毕竟现在的情况是，物理学大厦的根基和费米实验室的地下电缆总有一个是松的，理论专家不可能放过这个机会。今日的arXiv可谓喧嚣，一个周末过去，大家纷纷把自己整理的猜想公布在预印本网站上交流。就好像上周五晚上出了什么八卦，周一上班时同事之间火热地交流了起来。
今天的arXiv热闹非凡。W-boson为W玻色子，new physics为新物理。
不过，随着近年来测量精度的提高，除了此次CDF的结果之外，科学家的确发现了越来越多不符合标准模型预测的现象。比如去年3月CERN的LHCb实验就表明标准模型中的轻子味普适性（lepton flavour universality，LFU）可能被违背，当时的实验置信度达到了3.1倍标准差。实验负责人米特舍·帕特尔（Mitesh Patel）博士表示这是“他在物理学领域这20年来最令人兴奋的发现”。巧合的是，同样是去年4月8日，费米实验室的缪子g-2实验发现缪子磁矩和标准模型的预测存在4.2倍标准差的偏离。那次论文发表在《物理评论快报》杂志，而这次，论文发表在《科学》杂志。如果物理学有天气，那4月一定是阴雨天——“乌云”实在是太多了。
对物理学家而言，这当然是好事。毕竟，如果精度不断提高的实验总是在证明前人理论的正确（比如总是被证明正确的爱因斯坦），虽然可以说明前人的理论非常伟大，但也说明我们现在的理论水平也没有太大的进步空间。毕竟，科学就是在一次又一次的证明与证伪之间逐渐前进的。
本次论文：
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