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新物理,真的要来了?W粒子质量最精确结果发布

CDF探测器, 费米的老加速器Tevatron是LHC之前的最高能加速器(1985-2011)

 

导读

芝加哥当地时间2022年4月7日,费米实验室CDF国际合作组发布了迄今为止W玻色子质量测量的迄今最精确结果,这意味着什么?《知识分子》邀请专家为您详细解读。

 

撰文|安海鹏  陈新  胡震  王青  易凯

责编|邸利会

 

20世纪初,物理学已经发展到了非常完美的程度。但是,经典物理大厦上空飘浮的两朵小小的乌云,却最终发展成为一场推倒大厦的风暴,并促成了相对论和量子力学的建立。

 

百年之后,2021年4月7日上午,美国费米国家加速器实验室(Fermilab)公布了缪子 g-2 实验组对于缪子反常磁矩的首个测量结果,瞬间掀起了人们对于物理学发展的新讨论。有人认为,这一发现将会进一步揭开新物理的面纱,但也不乏质疑的声音。

 

整整一年以后的2022年4月7日(芝加哥当地时间),费米实验室CDF国际合作组发布了一项新的实验结果——

 

迄今为止W玻色子质量测量的最精确结果,比粒子物理标准模型的预期值偏高7个标准偏差。也就是说,在标准模型的预言是正确的情况下,观测到这样的实验结果的可能性仅为大概10-12。

 

本文作者之一、CDF合作组成员、南京师范大学教授、清华大学访问教授易凯认为,“CDF经过长期努力才取得迄今为止最为精确的测量,这一结果如果得到别的实验的证实,对目前的标准模型是一个冲击。中国LHC各个合作组同世界上其他的研究团队一起在LHC数据中有望间接和直接找到完善标准模型的证据。”

 

该研究以封面文章发表在4月8日《科学》(Science)杂志上,又一次引发了物理界的大讨论:新物理乌云真的要出现了吗?
 

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 标准模型与W玻色子 
 

粒子物理标准模型理论描述了组成所有物质的61种基本粒子,也阐释了它们之间的三种基本相互作用——电磁力、弱力和强力,是物理学最基本的理论之一。

 

根据标准模型,相互作用力是通过基本粒子来传递的。

 

比如,带电粒子之间的电磁力是通过光子来传递的,其力程无限远;强力是夸克间通过胶子传递的;弱力则是由W、Z等叫作中间玻色子的粒子来传递的,力程极小(小于10-17米),而且力很弱,仅为电磁力的万分之一左右。

 

W玻色子正是借用了Weak force(弱力)的首字母来命名的。 

图1 标准模型 (Credit: TriTertButoxy/Stannered at English Wikipedia)
 

W玻色子另一神奇的特征是,不同于传递电磁力的零质量光子,它居然有质量。而且,W的质量直接影响了费米常数,它决定了太阳中心聚变过程的速率,如果这过程太快了,恐怕地球上就没有足够时间演化出人类。

 

上世纪中叶,格拉肖(Sheldon L. Glashow)、温伯格(Steven Weinberg)和萨拉姆(Abdus Salam)统一了弱力和电磁力,并因此获得了1979年诺贝尔物理学奖。

 

与此同时,实验粒子物理学家们一直希望能在高能实验中寻找到W玻色子,但由于它的质量较重,需要能量足够高的加速器,才容易从复杂的实验数据中观测到踪迹。

 

这项努力一直延续到1983年,在欧洲核子中心(CERN)的超级质子同步加速器(Super Proton Synchrotron)上,鲁比亚(Carlo Rubbia)和范德梅尔(Simon van der Meer)等人带领UA1和UA2合作组,终于在实验上发现了W玻色子和Z玻色子存在的证据,并于次年获得诺贝尔物理学奖。

 

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W质量怎么测,为啥这么难测?
 

W玻色子的质量是质子质量的80倍左右,大约8万MeV/c2(1MeV/c2= 1.783×10-30kg),它是标准模型的一个重要参数。对其数值的精确测量一直是检验标准模型和探测新物理的重要手段之一。

 

位于欧洲核子中心的大型正负电子对撞机(LEP)上的ALEPH实验、DELPHI实验、L3实验、OPAL实验,大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS实验、LHCb实验,以及位于美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)上的CDF实验、D0实验等都对W玻色子的质量进行过测量。

图2 对W玻色子质量的测量

 

在对撞机实验中,粒子物理学家通常是通过研究高能粒子的衰变产物来测量它们的质量。但是W玻色子在衰变成带电轻子的过程中会伴随产生一个看不见的中微子,这给精确测量W玻色子的质量带来了巨大的困难。

 

多年来,其测量精度(误差)一直在几十个MeV/c2量级(如上图所示),最好的单个实验的精度也在二十个MeV/c2左右。这与W玻色子的姐妹粒子——Z玻色子的质量测量精度(2 MeV/c2)形成了极大的反差。实验粒子物理工作者们为此进行了长时间的努力。

 

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(Collider Detector at Fermilab)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的信号来计算W玻色子的质量。

 

他们经过十年的不懈努力发展出了一套新的数据分析方法,利用CDF二期运行期间收集的所有数据首次将W玻色子的质量的精度降低到了个位数字——9 MeV/c2。这一结果的精度达到了0.01%,超越了之前任何一个实验的精度,也超越了之前所有试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。

 

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 新物理真的要来了吗?

图3 LHC 的 ATLAS 探测器 | 图片源自 CERN

 

为什么科学家们认为W玻色子质量的偏差暗示着新物理的存在?

 

在粒子物理标准模型中,W玻色子的质量通过内部对称性和标准模型中的其他参数紧密联系在一起。粒子理论学家可以通过已经测得的希格斯玻色子的质量、Z玻色子的质量、顶夸克的质量、缪子的寿命计算出W玻色子的质量。

 

最新计算给出W玻色子的质量为80357±6 MeV/c2(如上图中灰色部分所示)。而CDF合作组的最新测量结果(目前最精确的结果)显示其W质量测量值为80433.5±9.4 MeV/c2(上图中CDF II所展示的结果),二者之间存在着7个标准偏差。

 

如果CDF的最新结果是正确的,那么在标准模型的框架下W玻色子的质量和以前测得的Z玻色子的质量、顶夸克的质量、希格斯玻色子的质量还有缪子的寿命是不相容的。

 

这意味着粒子物理标准模型并不完备,需要引进新物理的修正。但是这种新物理的修正往往有很多的可能性。因此,我们需要进一步的实验来检验这些新物理的模型。

 

需要注意的是,从上图我们可以看到,CDF最新的结果和ATLAS的测量结果也存在大约3个标准差的偏差,而ATLAS的结果和标准模型的结果在一个标准差之内是吻合的。

 

因此,标准模型对W玻色子的质量的预言是否有偏差也还需要其他的实验进一步检验。

 

中国参与的大型强子对撞机上的ATLAS实验、CMS实验、LHCb实验正在进行相关的研究。规划中的环形正负电子对撞机(CEPC)、未来环形对撞机(FCC)等,将能够对W玻色子的质量做更为精细的测量,进一步检测标准模型计算是否需要被修改或扩展。

图4 CEPC设计示意图

 

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韩涛:W玻色子的质量测量有重要物理意义
 

就W玻色子质量测量的最精确结果,《知识分子》邀请匹兹堡大学的杰出教授韩涛进行解读。

 

W玻色子的质量测量是有重要物理意义的。

 

因为基本粒子当中,费米子和希格斯粒子的质量在标准模型里没有一个确定的预言,基本上都是独立的自由参数。可是W粒子质量和Z粒子质量,是由熟悉的弱电力与真空相互作用确定的。知道了核力的弱相互作用, W粒子质量基本上从这个理论框架当中就固定了,是有一个明确的预言和限制。

 

测量W/Z粒子质量的精确自洽程度,就意味着我们对理论的相互作用的一个深刻理解。目前我们有了成功的标准模型的理论结构,固定的理论常数,不管什么实验上的可观测量,都应该用同样这几个标准模型参数来描述,这是理论的完整自洽性。可是这次对W质量的独立测量,跟标准模型的预期不一样。而且从统计上看,出现7个标准方差,这是相当明显的差别了, 无法从简单的调整标准模型参数来达到自洽。

 

从实验和测量来讲,CDF实验组做得非常好。他们实验的精度,对电子和缪子的能量动量的测量,显然比以前任何人做的都好,我们应该祝贺他们。

 

但是有如下三个方面要提请注意。

 

第一条要注意的是,所谓7个标准方差,是从统计的观点来看的。实验测量还要考虑系统误差,基本与统计误差无关。这涉及一些理论处理,计算模拟中的不确定性。CDF当然也认真的做了系统误差的估计,结果跟统计误差是同数量级。我个人认为系统误差应该再进一步的理解和处理。大家仍然对系统误差的处理持有一定的保留态度。我觉得系统误差是很重要问题。

 

第二个问题是,CDF的最新结果与另外的两个类似实验结果不尽符合。一个是CDF在费米实验室的姊妹实验D0,另一个是LHC的ATLAS实验。这三个实验必须协调找出其潜在原因,才能下结论。

 

最后,假设这个新的结果以及误差估计确实是可靠的,那么这一定意味着有一些新的物理现象出现,超出了标准模型。有一些新的理论模型的确可以来解决这样的差别。由于此结果的高精度,很小的新物理效应也可能会通过它来揭示出来的。

 

展望未来,LHC已经收集了15倍于CDF的数据。我们期待LHC的实验结果的发表。对于正负电子对撞机,FCC-ee和CEPC在W粒子对产生之后,基本上没有背景噪音,非常可以期待把这个数据测量精确提高几倍。

 

参考文献:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

https://news.fnal.gov/2022/04/cdf-collaboration-at-fermilab-announces-most-precise-ever-measurement-of-w-boson-mass/

https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

http://hep.tsinghua.edu.cn/news/20220408wmass.html

 

作者介绍 

王青,清华大学物理系教授,清华大学物理系粒子物理核物理天体物理研究所所长,清华大学高能物理研究中心主任。

易凯,南京师范大学教授,清华大学访问教授。现为CDF、CMS、Belle II合作组成员,清华-南师CMS组负责人,长期从事B物理、强子物理及新物理研究等。

陈新,清华大学物理系副教授,主要研究领域为希格斯物理、强子物理、长寿命粒子和暗物质粒子寻找等。ATLAS和FASER合作组成员。

安海鹏,清华大学物理系副教授,主要从事粒子物理和宇宙学方向的理论研究。

胡震,清华大学物理系副教授,主要研究领域为强子物理、新物理寻找和探测器电子学研发等。现为CMS和FASER合作组成员。


 

注:该文除韩涛教授的解读外,其余部分与《现代物理知识》同步首发,略有编辑。

 



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