新测量的W玻色子可以破坏标准模型吗？

“您可以快速做到，您可以便宜地做到这一点，也可以做对了。我们做对了。”这些是费米拉布（Fermilab）对撞机探测器的负责人戴维·托克（David Toback）的一些开幕词，他宣布了一次十年实验的结果测量称为W玻色子的粒子的质量。

我是一个高能粒子物理学家，我是在伊利诺伊州费米拉布（Fermilab）建造和经营数百名科学家团队的一员 - 被称为CDF。

经过数万亿的碰撞以及多年的数据收集和数字处理，CDF团队发现W Boson有质量略高于预期。尽管差异很小，但在2022年4月7日杂志上发表的一篇论文中描述的结果已使粒子物理世界电气化。如果测量正确，那是另一个强烈的信号宇宙如何工作的物理难题中缺少碎片。

带有弱力的粒子

这粒子物理的标准模型科学是宇宙基本定律的当前最佳框架描述三个基本力量：电磁力，弱力和强力。

强力将原子核固定在一起。但是，有些核是不稳定的，并且经历放射性衰减，通过发射颗粒缓慢释放能量。这一过程是由弱力驱动的，自1900年代初以来，物理学家就为何和原子腐烂的方式寻求解释。

根据标准模型，力是由颗粒传输的。在1960年代，一系列理论和实验突破提出弱力是由称为W和Z玻色子的颗粒传播的。它还假设，第三个粒子是希格斯玻色子，是给所有其他颗粒（包括W和Z玻色子）质量的质量的原因。

自1960年代标准模型的出现以来，科学家一直在沿着预测尚未发现的颗粒和测量其性质的列表。1983年，两个实验库恩在瑞士日内瓦，捕获了W Boson存在的第一个证据。它似乎具有大约一个中等大小的原子，例如溴。

到2000年代，只缺少一块来完成标准型号并将所有内容绑在一起：Higgs Boson。我帮助搜索了三个连续实验的希格斯玻色子，最后我们在2012年发现了在Cern的大型强子对撞机上。

标准模型已经完成，我们进行的所有测量值都与预测完美地挂在一起。

测量W玻色子

测试标准模型很有趣。您只是以非常高的能量粉碎在一起。这些碰撞短暂地产生了较重的颗粒，然后腐烂到较轻的颗粒。物理学家在Fermilab和Cern等地方使用巨大且非常敏感的探测器来测量这些碰撞中产生的颗粒的性质和相互作用。

在CDF中，生产W玻色子每1000万次当质子和抗蛋白质碰撞时。抗蛋白酶是质子的反物质版本，具有完全相同的质量，但电荷相反。质子由称为夸克的较小基本颗粒制成，抗蛋白酶由古怪制成。正是夸克和古怪之间的碰撞创建W玻色子。W玻色子腐烂得如此之快，以至于无法直接测量。因此，物理学家跟踪从衰减中产生的能量，以测量W玻色子的质量。

自科学家首次检测到W玻色子的证据以来的40年中，连续实验的质量越来越精确。但是，只有由于希格斯玻色子的测量（因为它给所有其他颗粒的质量），研究人员才能检查测得的W玻色子的质量标准模型预测的质量。直到现在，预测和实验始终匹配。

出乎意料的沉重

Fermilab处的CDF检测器在准确测量W玻色子方面非常出色。从2001年到2011年，加速器与抗抗原子数万亿次相撞，产生数百万的W玻色子，并从每次碰撞中记录尽可能多的数据。

Fermilab团队出版了初始结果在2012年使用一小部分数据。我们发现质量略有关闭，但接近预测。然后，团队花了十年的时间来艰苦地分析完整的数据集。该过程包括许多内部交叉检查和需要多年的计算机模拟。为了避免任何偏见渗入分析中，没有人能看到任何结果，直到完整计算完成。

当物理界终于看到了2022年4月7日的结果时，我们都感到惊讶。物理学家测量数百万电子伏特单位的基本颗粒质量 - 缩短为MEV。W玻色子的质量出来是80,433 MEV- 70 MEV比标准模型预测的要高。这似乎是一个微小的过量，但是测量值在9 MEV之内是准确的。这是误差边距的近八倍的偏差。当我和我的同事们看到结果时，我们的反应是一个响亮的“哇！”

这对标准模型意味着什么

测得的W玻色子的质量与标准模型内的预测质量不匹配，这一事实可能意味着三件事。数学是错误的，测量是错误的，或者标准模型中缺少一些东西。

首先，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。CERN实验允许物理学家测量希格斯玻色子质量到四分之一以内。此外，理论物理学家已经数十年来从事W玻色子质量计算。虽然数学是复杂的，但预测是可靠的，不太可能改变。

下一个可能性是实验或分析中的缺陷。全世界的物理学家已经在审查结果，以试图戳破其中的孔。此外，CERN的未来实验最终可能会获得更精确的结果，以确认或反驳Fermilab质量。但是我认为，该实验是目前可能的衡量标准。

这留下了最后的选择：有无法解释的颗粒或力，导致W玻色子质量的向上移动。甚至在此测量之前，一些理论家有提出的潜在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中，我希望有大量的新论文试图解释令人困惑的W玻色子。

作为一名粒子物理学家，我有信心说必须有更多的物理学等待在标准模型之外发现。如果这个新结果成立，这将是一系列发现中的最新结果，表明标准模型和现实世界经常测量大学教师'T很匹配。正是这些谜团为物理学家提供了新的线索和新的理由，以不断寻找对物质，能量，时空和时间和时间的全面理解。

约翰·康威是一位实验性的高能量粒子物理学家，目前正在进行两个大型实验：伊利诺伊州巴达维亚的Fermilab Tevatron和伊利诺伊州的Fermilab Tevatron和瑞士Cern的大型强子对撞机的CMS。他获得了美国能源部和美国国家科学基金会的资金。

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