近日，美國費米國家加速器實驗室對撞機探測器(CDF)國際合作組的389位科學家共同完成了對W玻色子質量的最精確測量，測量結果比粒子物理標準模型的預期值偏高7個標準偏差，或指向新物理學領域。

圖片來自《科學》(Science)

前述研究成果發表在《科學》(Science)封面。如果這一結果得到最終確認，將預示著物理學的最基本理論之一“粒子物理標準模型”理論需要被修改或擴展。

“粒子物理學研究的是我們的世界由哪些最基本的物質構成，并且如何構成的?！蹦暇煼洞髮W教授兼清華大學訪問教授易凱向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者說道。

易凱現為CDF、CMS（歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的緊湊繆子螺線管實驗）、日本Belle II國際合作組成員，也是清華-南師CMS組負責人，長期從事粒子物理、強子物理及尋找超出標準模型的物理現象等。

粒子物理標準模型，圖片來自Quanta Magazine

“這張‘圓盤’就是標準模型，上面每一個字母都表示一種粒子，并且這些粒子都是基本粒子，即內部沒有結構、無法分割的粒子?！币讋P表示“圓盤”最外圈上方為六種夸克，下方為六種輕子，輕子包括人們所熟知的電子、μ介子、τ介子和它們相對應的中微子?！翱淇撕洼p子構成了我們的物質世界，例如，常見的質子和中子由兩種不同類型的三個夸克構成。其中，中微子與其他物質之間的相互作用非常小，可以穿透物質。”

中間一圈的四種基本粒子分別為光子、膠子、W玻色子、Z玻色子。“它們是傳遞相互作用的粒子。其中，光子是傳遞電磁相互作用的粒子，它是沒有質量的。膠子負責傳遞強相互作用。而傳遞弱相互作用的粒子就是W玻色子和Z玻色子，這兩種粒子是很重的?！币讋P說道。

“圓盤最中心的是希格斯玻色子，也被稱做“上帝粒子”，2012年在CMS和ATLAS（即歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的實驗）兩個實驗中同時發現的。希格斯玻色子賦予了其他基本粒子的質量。而這些粒子之間是如何相互作用的，就解釋了世界的構成，并形成了一個系統，這個系統就是‘標準模型’?！币讋P表示W玻色子的質量可以從這一系統中推算出來。

多年來，科學家一直在通過各種方式檢測標準模型是否正確，嘗試找到新的突破。W玻色子的質量作為標準模型的一個重要參數，對其數值的精確測量一直是檢驗標準模型和探測超出標準模型的現象的重要手段之一。

由于W玻色子的衰變模式在實驗上重建的困難，其測量精度（誤差）一直在幾十個MeV（兆電子伏特）量級，此前最佳的單個實驗精度也在二十個MeV左右。這與W玻色子的“姐妹”粒子——Z玻色子的質量精度2MeV形成了極大的反差。實驗粒子物理工作者為此進行了長時間的不懈努力。MeV是粒子物理上使用的一種質量單位，以質子為例，質子大約為938MeV。

但此前對W玻色子質量的多項測量基本都符合標準模型理論。“這有可能是因為之前的測量精度不夠，這一次CDF合作組對W玻色子質量的測量精度很高，達到了0.01%?！币讋P說道。

費米國家加速器實驗室的對撞機探測器(CDF)，圖片來自費米國家加速器實驗室

據了解，美國費米實驗室的Tevatron曾為世界上最大的對撞機，在Tevatron里，質子和反質子被加速到它們的靜止質量的1000倍，然后發生碰撞，從而大量產生W玻色子。CDF是Tevatron上的一個通用型粒子探測器，粒子物理實驗學家們通過研究CDF探測到的W玻色子衰變產生的帶電輕子和其他產物的信息來測量W玻色子的質量。

CDF合作組經過十年的時間對收集的數據進行了非常細致的校準和分析，利用CDF二期運行期間收集的所有數據，對W玻色子的質量進行了目前世界上最為精確的測量，首次將誤差（包括統計誤差和系統誤差）降低至個位數，即9MeV。在粒子物理標準模型中，預期的W玻色子質量應為80357+/-6MeV。而此次測量結果顯示其質量測量值為80434+/-9MeV，超出了標準模型的預期值。

W玻色子質量的各實驗測量與理論預測范圍，圖片來自Science論文

前述研究實現了0.01%的檢測精度，超越了此前所有單個實驗的精度，也超越了此前所有實驗結果的加權綜合精度，對標準模型的檢驗達到了一個新的里程碑。在這一精度下，CDF合作組所測量的W玻色子質量比標準模型的計算值高了七個標準偏差（包括實驗和理論誤差），挑戰目前的標準模型。這意味著在標準模型的預言是正確的情況下，CDF實驗觀測到這樣的實驗結果的可能性僅為大概10的負十二次方。

“如果這一結果是正確的，就預示著我們的標準模型并不完美。”易凱解釋道，“這存在兩種可能，一種可能性是我們需要去修正標準模型中的計算，完善這一系統。另一種可能性是標準模型需要擴展，比如這個模型還有未被發現的基本粒子或者未被發現的基本作用力。而這些都指向新的物理現象?！?/p>

來自歐洲核子研究中心的大型強子對撞機ATLAS實驗項目物理學家Guillaume Unal則表示“希望看到另一項獨立的測量來證實CDF合作組的測量結果。”

對此，南京師范大學、清華大學、中科院高能物理研究所、北京大學聯合發起并主辦了4月14日的“W質量研討會”。除CDF實驗之外，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）上的多個實驗、美國費米實驗室的D0實驗都做過W玻色子的質量測量和其他性質研究。各實驗的參會者共同探討了W玻色子研究的現狀和未來。

“W質量研討會”線上線下參會者在清華物理系講堂合影

目前，ATLAS和LHCb（大型強子對撞機上底夸克探測器實驗）的合作組成員已在改進對W玻色子質量的分析。歐洲核子研究中心的另一實驗CMS也可以測量W粒子的質量大小。

“CDF這項結果目前只是一個實驗的結果，尚需別的實驗驗證。另外它與目前世界上第二精確的測量即ATLAS實驗的測量結果也不一致?！币讋P表示CMS合作組現在測量帶電粒子都是全部使用硅探測器，分辨率會比CDF合作組當年的更好。

而談及在CDF合作組的經歷，易凱表示從探測器的建造、電子設備的調控到控制室數據的獲取、校準、重建，以及進行物理分析得到最終結果，這一過程是漫長而艱辛的，需要合作組的協作。比如易凱就曾兩次作為硅探測器值班專家獲取數據，一次在2001年，歷時三個多月，另一次在2009年到2010年，歷時一年多?！癈DF合作組最鼎盛時期有700多位成員，后來名單就固定在400位左右?！盩evatron在2011年停止運行之后，CDF合作組中Ashutosh Kotwal領導的小組對數據進行了更細致地校準和更深入地分析，并經過合作組內部嚴謹審核，耗時十多年最終將論文發表出來。

未來，更多國際合作組的測量將驗證CDF合作組的結果，并將進一步檢驗目前的標準模型。

關鍵詞： 標準模型 精確測量