伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的Tevatron粒子对撞机曾经是世界上最强大的加速器。来源:格兰杰除
在伊利诺斯州芝加哥市外，一项长期停止的实验正威胁着基本粒子领域的平衡。物理学家们辛苦了十年，才从实验的旧数据中挤出了一个关键的新测量方法，现在结果出来了。研究小组发现W玻色子——一种携带弱核力的基本粒子——比理论预测的要重得多。
虽然理论预测值与实验值的差值仅为0.09%，但明显大于结果的误差幅度(0.01%左右)。这一发现也与其他一些质量测量结果不一致。在费米国家加速器实验室(Fermilab)进行最新实验的合作伙伴，称为CDF，在《科学》杂志上报告了这一发现科学14月7日。
瑞士苏黎世大学的实验粒子物理学家弗洛伦西亚·卡内利(Florencia Canelli)说，这次测量“非常令人兴奋，是我们这个领域真正具有里程碑意义的结果”。如果它被其他实验证实，这可能是粒子物理标准模型的第一次重大突破。自20世纪70年代引入粒子物理标准模型以来，该理论一直取得了惊人的成功。然而，众所周知，标准模型是不完整的，任何关于它可能失败的线索都可能为它的替代指明道路，以及新的基本粒子的存在。北卡罗莱纳州达勒姆杜克大学的实验粒子物理学家Ashutosh Kotwal领导了CDF研究，他说:“我们相信，在这种特殊的测量中，有一个强有力的线索，可以告诉我们大自然可能为我们准备了什么。”
一些物理学家发出了警告。生成一个W从实验数据测量玻色子质量是出了名的复杂。德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学的物理学家马蒂亚斯·肖特(Matthias Schott)在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室(CERN)从事ATLAS实验，他说，尽管这项工作令人印象深刻，但“我将谨慎地将与标准模型的显著差异解释为新物理学的标志”。他说，物理学家应该优先研究为什么这个数值与最近的其他结果不同。
超重的粒子
自W玻色子于1983年在欧洲核子研究中心被发现，经过实验计算，它的重量大约相当于85个质子。但它的确切质量一直难以量化:第一次实验估计的误差幅度为5%或更多。英国华威大学的粒子物理学家Mika Vesterinen说:“在我们的领域中，W玻色子质量的测量可以说是最具挑战性的参数。”他在欧洲核子研究中心的LHCb实验中从事这项测量工作。
与它的表亲，Z玻色子,W参与大多数类型的核反应，包括为太阳提供能量的核聚变．的W而且Z玻色子携带弱核力——自然界的四种基本力之一——以类似于电磁相互作用涉及光子交换的方式。
对撞机产生W通过高能碰撞粒子形成玻色子。实验通常在玻色子衰变为中微子加上一种电子或较重的介子时探测到它们。中微子逃脱了探测器而没有留下任何痕迹，而电子或μ子却留下了明显的痕迹。
在腐烂中，大多数的W原子的原始质量转化为新粒子的能量。如果物理学家能够测量出所有衰变粒子的能量和路径，他们就可以立即计算出粒子的质量W这就产生了他们。但由于无法追踪中微子，他们无法确定电子或μ子的哪一部分能量来自中微子W的质量，它来自于动量。Vesterinen说，这使得测量“出了名的困难”。“当你只看到一半的衰变时，你试图构建质量。”
费米实验室CDF探测器中粒子碰撞的计算机图像显示W玻色子衰变为正电子(品红块，左下)和一个看不见的中微子(黄色箭头)。图源:费米实验室/科学图片库
老实验，新把戏
在最新的工作中，Kotwal和他的合作者的目标是进行有史以来最精确的测量W的质量。这些数据都是在2011年收集的费米实验室的万亿电子伏——一个6公里长的圆形机器，用来碰撞质子和反质子，曾经是世界上最强大的加速器——关闭了。但Kotwal说，最新的测量在当时是不可能的。相反，这是数据分析技术稳步改进的结果，也是粒子物理学界对质子和反质子在碰撞中行为的理解不断提高的结果。“许多达到这种精度的技术，到2012年我们甚至还不知道。”
该团队研究了大约400万份W在2002年到2011年间，CDF探测器内部产生了玻色子——这个数据集比2012年早期测量中使用的数据组大四倍2．研究人员通过测量衰变电子在磁场中的轨迹弯曲来计算每个衰变电子的能量。Kotwal说，在过去的十年中，一项艰苦的进步将轨迹的分辨率从大约150微米提高到了不到30微米。
在绘制出电子能量的分布后，研究小组计算出了与数据最吻合的玻色子质量。这是80433.5兆电子伏(MeV)，误差范围只有9.4兆电子伏。
结果加入了一大堆W由全球领先的粒子对撞机产生的质量测量;自从这种粒子被发现以来，精度已经提高了。研究CDF和DZero (Tevatron的另一个主要探测器)的研究人员早些时候发表了不太精确的测量结果W质量2，3.．在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)上进行的ATLAS和LHCb实验也公布了各自的数值4，5．
最新的CDF结果声称比之前的记录保持者ATLAS测量的80,370 MeV的精度提高了一倍，误差为±19 MeV。但它不同意先前的几个测量结果，这些测量结果都符合80357兆电子伏的最佳理论预测。ATLAS和LHCb正在更新W玻色子测量。Vesterinen说，在几年内，他们应该能够达到CDF结果的精确度，并可以证实或质疑它。
两个实验之间的一个不同之处在于研究小组如何模拟产品的生产W玻色子，这会影响其质量的计算。大型强子对撞机的物理学家此前曾指出CDF使用的计算机程序Resbos存在故障;存在一个改进的迭代。但是Kotwal说，CDF研究人员早就选择了最初的技术，改变技术以使结果与理论收敛是错误的。
这是理论灾难的先兆
如果质量结果成立的话，理论家们将会大做文章。理论物理学家对标准模型进行了大量的假设性扩展或改革，其中许多也预测了大量的错误W玻色子不同于香草理论。“质量W是寻找新物理和标准模型偏差的完美地方，”西班牙桑坦德的坎塔布里亚物理研究所的理论家斯文·海因迈耶说。
对于这种差异，海因迈耶最喜欢的解释是超对称，这个模型预测了每个标准模型粒子都存在一个更重的伙伴。这样的粒子可以不断地在真空中进进出出W粒子，使它更重。
其他可能的解释与希格斯粒子有关，这是另一种玻色子，由大型强子对撞机在2012年发现。如果希格斯粒子的性质与目前的理论不同——例如，如果它是一个复合粒子而不是一个基本粒子，或者如果它存在多个版本——这将会影响W质量。
另一个大型大型强子对撞机实验，称为CMS，正在进行自己的测量WCMS合作的主要研究者Canelli说(Canelli也是CDF合作的成员，但为了避免利益冲突，她没有参与生成最新的结果)。“这是我们物理项目中最重要的测量之一。”
