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粒子惊人的质量有可能颠覆标准模型

粒子惊人的质量有可能颠覆标准模型
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郊外,一项早已停止的实验正威胁着基本粒子领域的平衡。物理学家们花了十年的时间,从实验的旧数据中提取出一种至关重要的新测量方法,结果现在已经出来了。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。

虽然理论预测与实验值的差值仅为0.09%,但明显大于结果的误差范围,小于0.01%。这一发现也与其他一些测量质量的方法不一致。在费米国家加速器实验室(费米实验室)进行这项最新实验的合作名为CDF。科学14月7日。

瑞士苏黎世大学的实验粒子物理学家Florencia Canelli说,这项测量“非常令人兴奋,在我们的领域是一个真正具有里程碑意义的结果”。如果它被其他实验证实,这可能是粒子物理学标准模型的第一个重大突破,该理论自20世纪70年代引入以来一直非常成功。标准模型被认为是不完整的,然而,它的任何失败的暗示都可能指出它的替代方法,以及新的基本粒子的存在。“我们相信,在这个特殊的测量中,有一个关于大自然为我们准备了什么的强有力的线索,”阿舒托什·科特瓦尔(Ashutosh Kotwal)说,他是位于北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学的实验粒子物理学家,领导了这项CDF研究。

一些物理学家发出了警告。根据实验数据生成W玻色子质量测量是出了名的复杂。虽然工作令人印象深刻,“我会谨慎解释显著差异标准模型的新物理,“马提亚Schott说,德国美因茨大学的物理学家,在阿特拉斯在欧洲核子研究中心的实验工作,瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室。他说,物理学家应该优先研究为什么这个值与最近的其他结果不同。

超重的粒子

自1983年发现W玻色子以来,实验计算出它的重量高达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在5%或更多。Mika Vesterinen是英国华威大学的粒子物理学家,他在欧洲核子研究中心的LHCb实验中从事这项测量工作,他说:“W玻色子质量的测量可以说是我们这个领域中最具挑战性的参数。”

与它的表亲Z玻色子一样,W玻色子参与了大多数类型的核反应,包括Z玻色子。为太阳提供能量的核聚变。W和Z玻色子携带弱核力——自然界四种基本力之一——类似于每一种电磁相互作用都涉及光子交换。

对撞机通过高能粒子的碰撞产生W玻色子。实验通常通过它们衰变为一种电子或其更重的表亲介子加上中微子来探测它们。中微子会毫无痕迹地逃脱探测器,而电子或介子则会留下明显的痕迹。

在衰变过程中,W的大部分原始质量转化为新粒子的能量。如果物理学家能够测量能量和所有衰变粒子的路径,他们就能立即计算出产生这些粒子的W的质量。但如果不能追踪中微子,他们就不能确定电子或介子的哪一部分能量来自W的质量,哪一部分来自W的动量。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。”

粒子惊人的质量有可能颠覆标准模型
费米实验室CDF探测器的一幅粒子碰撞的计算机图像显示了一个W玻色子衰变成一个正电子(洋红块,左下)和一个看不见的中微子(黄色箭头)。资料来源:费米实验室/科学图库

老实验,新把戏

在最新的工作中,Kotwal和他的合作者致力于对W的质量进行最精确的测量。这些数据都是在2011年之前收集的。费米实验室的Tevatron这台6公里长的环形机器曾是世界上最强大的加速器,它能让质子与反质子相撞。但是Kotwal说,最新的测量方法在当时是不可能的。相反,这是数据分析技术不断改进的结果,也是粒子物理学团体对质子和反质子在碰撞中的行为理解不断提高的结果。“许多达到这种精度的技术,我们在2012年之前甚至都不知道。”

该团队观察了2002年和2011年CDF探测器内部产生的大约400万个W玻色子,这个数据集是2012年第一次测量所用数据的四倍2. 他们通过测量每个衰变电子的轨迹在磁场中的弯曲程度来计算其能量。Kotwal说,过去十年中一个艰苦的进步就是将轨迹的分辨率从大约150微米提高到不到30微米。

在绘制出电子能量的分布之后,该团队计算出了最符合数据的玻色子质量。这是80433兆电子伏(MeV),误差范围只有9.4兆电子伏。

这一结果结合了世界上各主要粒子对撞机产生的W质量测量;自欧洲核子研究中心发现这种粒子以来,其精确度已有所提高。从事CDF和DZero探测器(Tevatron的另一个主要探测器)的研究人员此前发表了对W质量的不太精确的测量结果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实验也公布了它们自己的数值4,5.

CDF的最新测量结果声称比之前的记录保持者ATLAS测量的80,370 MeV的精度高出一倍,误差为±19。但这一结果与之前的几次测量结果不一致,它们都与最好的理论预测80,357 MeV相一致。Vesterinen说,ATLAS和LHCb正在更新他们的W玻色子测量结果,在几年内,他们应该能够达到CDF结果的精度,并可能证实或挑战它。

这两个实验的不同之处在于研究小组对W玻色子产生的模型,这影响了对其质量的计算。LHC物理学家此前曾指出CDF使用的Resbos程序存在缺陷;存在改进的迭代。但是Kotwal说,CDF的研究人员很早就选择了最初的技术,改变技术使结果与理论一致是错误的。

理论困境的先兆

如果质量的结果成立,理论家们将会有一个好日子。理论物理学家对标准模型进行了大量的假设扩展或改革,在许多情况下,这些假设也预测了W玻色子的质量与香草理论不同。西班牙坎塔布里亚物理研究所的理论学家斯文·海因迈耶说:“W星系的质量是寻找新物理学和标准模型偏差的最佳地点。”

对于这种差异,海涅迈耶最喜欢的解释是超对称性,这个模型预测了每个标准模型粒子都存在一个较重的伴星。这样的粒子可以不断地进出W粒子周围的真空,使其更重。

其他可能的解释与2012年大型强子对撞机发现的另一种玻色子希格斯粒子有关。如果希格斯玻色子的性质与目前理论化的不同——例如,如果希格斯玻色子是一个复合粒子而不是基本粒子,或者存在多个版本的希格斯玻色子——这将影响W质量。

另一个主要大型强子对撞机实验中,称为CMS,正在自己的W玻色子的质量测量,CMS的主要研究员Canelli说合作(Canelli也是CDF实验组的成员协作,但她并没有参与生成最新的结果,以避免利益冲突)。“这是我们物理项目中最重要的测量方法之一。”

 

doi: https://doi.org/10.1038/d41586 – 022 – 01014 – 5

References
Aaltonen, T. et al. Science 376, 170–176 (2022).

Aaltonen, T. et al. Phys. Rev. Lett. 108, 151803 (2012).

Abazov, V. M. et al. Phys. Rev. Lett. 108, 151804 (2012).

Aaboud, M. et al. Europ. Phys. J. C 78, 110 (2018).

Aaij, R., et al. J. High Energy Physics 01, 036 (2022).

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