在粒子物理学的标准模型中，W玻色子是被重点关注的对象。它是一种载力粒子，与Z玻色子一起负责传递自然界中的四种基本力之一——弱力。
粒子物理学的标准模型。（图/原理）
2022年，物理学家通过分析由费米实验室的CDF探测器从2002年和2011年间产生的420万个W玻色子的数据后发现，W玻色子的质量比标准模型预测的要重得多！如果这一测量结果被证实，就意味着标准模型存在“裂缝”，也预示着宇宙中还有尚未被发现的全新粒子或基本力。
然而，9月17日，在欧洲核子研究中心（CERN）举行的一场研讨会上，来自大型强子对撞机（LHC）的紧凑µ子线圈（CMS）实验的物理学家报告了迄今为止对W玻色子的质量进行的最详尽的研究。这项实验结果表明，W玻色子的质量与理论预测的一致！
紧凑µ子线圈（CMS）探测器位于法瑞边境的欧洲核子研究中心（CERN）的地下100米处，它从LHC收集数据。该探测器自2010年开始运行，并被历史上最大的国际科学合作项目之一用于研究自然的基本规律。（图/Brice, Maximilien / CERN）
超精确的测量结果
物理学家可以通过让质子在极端能量下碰撞，来产生包括W玻色子在内的大量粒子，但这些粒子的寿命大多都非常短暂，会迅速衰变为其他粒子。如此一来，要想测得这些粒子原本的质量，物理学家需要将它们衰变而成的所有物质的质量和动量都加起来。
这种方法对像Z玻色子这样的粒子很有效。但当采用这种方式来测量W玻色子时，就面临一个巨大的挑战，因为在W玻色子的衰变产物中，除了可以被探测器捕捉到的µ子或电子之外，还有一种能毫无痕迹地逃脱探测器的微小基本粒子——中微子。
CMS实验寻找的是一个W玻色子衰变成µ子（红线）和一个能逃脱探测的中微子（粉色箭头）的事件。（图/CMS/CERN）
CMS合作组分析了LHC的第二轮质子-质子对撞数据，并将重点聚焦在µ子衰变上。他们以前所未有的精度，对超过1亿个W玻色子衰变所产生的μ子的特性进行了重建。然后，他们将测量数据与40亿个模拟碰撞与衰变的数据进行了比较。最终，他们在模拟数据中找到了与测量数据最相符的那个。
他们的结果表明，W玻色子的质量为80360.2±9.9 MeV（1 MeV = 1兆电子伏），与标准模型预测的80357±6 MeV一致。而且这一结果与使用了不同的探测器和探测方法的其他LHC实验（ATLA和LHCb）的结果大致一致，这使研究小组相信他们的结果是正确的。
标准模型对W玻色子的质量预测，以及不同实验的W玻色子质量测量结果的比较。（数据来源/CERN）
标准模型不死
CMS实验的测量精度为0.01%，与CDF的精度大致相当，是迄今为止在LHC上对W玻色子质量进行的最精确测量。要达到如此精度的测量是非常困难的。与其他实验相比，CMS实验的独到之处在于，它有紧凑的、专门设计用来测量μ子的传感器，以及一个极强的螺线管磁体，当带电粒子穿过探测器时，其运动轨迹就会发生弯曲。这样的设计使CMS实验特别适合精确的质量测量。
此外，由于中微子无法在对撞实验中被探测到，这意味着研究人员无法得知全貌。因此，在对真实实验数据进行分析之前，研究人员已经先对数十亿次的大型强子对撞事件进行了模拟。这些模拟数据不仅使用了W玻色子的不同质量值，还包含了数千个其他可能导致结果出现偏差的参数的不同值。
除了这些之外，研究人员还检查了来自已知粒子的衰变的上亿条轨迹，以此来对CMS探测器的一大部分进行重新校准，使其精度提高了一个数量级。这使得研究人员能以更高的精度处理如涉及W、Z和希格斯玻色子的测量。
目前，还没有人能解释为什么CDF实验会产生异常的W玻色子质量数值。研究人员分析，一个可能的原因是CDF实验采用了不同于CMS的理论工具来进行模拟。CDF检测的是太伏质子加速器（Tevatron）中的质子-反质子碰撞，而LHC运行的是质子-质子碰撞。但究竟是什么让结果如此不同，研究人员并没有答案。
不过，能以这样的精度对标准模型进行探索，这一事实令科学界振奋。当CMS合作组的物理学家Josh Bendavid在9月17日的研讨会上宣布结果时，引发了现场热烈的掌声。用Bendavid的话来说，这样的结果意味着“标准模型不死！”
#创作团队：
撰文：二宗主
排版：雯雯
#参考来源：
https://home.cern/news/press-release/physics/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass
https://news.fnal.gov/2024/09/new-results-from-the-cms-experiment-put-w-boson-mass-mystery-to-rest/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03042-9
#图片来源：
封面图&首图：CMS/CERN
