CERN对W玻色子质量的计算与理论相符，驳斥了先前的异常结果，该异常曾提出存在新物理学的可能性。
CERN的CMS探测器测量了质子-质子碰撞的衰变过程。来源：Nature
物理学家实现了一个极为困难的测量——W玻色子的质量。来自大型强子对撞机(LHC)的CMS实验结果符合标准模型的预测，并驳斥了2022年关于W玻色子质量的异常。这一异常曾暗示可能存在超出标准模型的现象，而标准模型是物理学家对粒子和力的最佳描述。
“标准模型还没有死，”麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）剑桥分校的粒子物理学家、CMS合作组成员乔什·本达维德（Josh Bendavid）在9月17日发布这一结果时说。宣布这一消息时，现场掌声热烈，这一结果是在欧洲粒子物理实验室CERN（欧洲核子研究中心，位于瑞士日内瓦附近）的一场研讨会上发布的，CERN也是LHC的所在地。CMS的结果是10年努力的结晶，测得W玻色子的质量为80,360.2百万电子伏特，与2022年结果相差甚远，若接近2022年的结果，我们就会宣布标准模型的“死亡”，本达维德说。
苏黎世大学（University of Zurich）实验粒子物理学家佛罗伦西亚·卡内利（Florencia Canelli）表示：“整个社区都会对我们能够达到这种精度，并以这种程度理解标准模型感到兴奋。”
来源：Nature
物理学家的释然
2022年的结果由位于伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的一个名为CDF的实验得出，该实验使用10年前的数据计算出W玻色子的质量比预测的要重，这开启了标准模型可能存在裂缝的可能性，令物理学家们振奋。尽管标准模型非常成功，但物理学家们知道它并不完备，因为它无法解释诸如暗物质等神秘现象。
CMS的结果是LHC中关于W质量的最精确测量，其精度与CDF结果相当。同时，它与CDF结果之前的四次测量结果一致，使得CDF的数值成为了一个异常值。杜克大学（Duke University）实验粒子物理学家阿舒托什·科特瓦尔（Ashutosh Kotwal）说：“它们不可能都对。”
“如果我们发现与标准模型完全不同的东西，可能对整个社区来说会更好，因为这对我们领域的未来充满了激动人心的可能性，”洛杉矶加利福尼亚大学（University of California, Los Angeles）的粒子物理学家伊丽莎贝塔·曼卡（Elisabetta Manca）说，她是CMS研究的主要分析师之一。她补充道，然而从信心的角度来看，这一结果令人“释然”。
基本力
W玻色子及其“姊妹”粒子Z玻色子参与了放射性衰变，作为弱核力的载体，这是自然界的四种基本力之一。它是标准模型中少数可以通过理论高精度预测并通过实验测量的量之一，因此它成为寻找模型裂缝的重要途径。科特瓦尔说：“没有很多高精度的可观察量，这使得它非常重要和值得研究。”
然而，W质量极其难以测量。LHC通过极高能量的质子碰撞产生这些玻色子。这些玻色子迅速衰变成其他粒子，而实验则检测这些粒子。然而，在W质量的测量中，衰变的一半信息丢失了，因为W玻色子仅变成一个可检测的粒子——如电子或其较重的表亲缪子(muon)。另一个粒子，称为中微子（neutrino），则直接离开探测器，无法被追踪。
缪子衰变
CMS的分析主要集中在缪子衰变上。曼卡说，团队以空前的精度重建了大约1亿次W衰变中的缪子属性。他们然后将这些数据与40亿次模拟碰撞和衰变进行比较，这些模拟使用了不同的W质量数值，以及其他成千上万个可能影响结果的参数数值，并寻找最佳匹配项。卡内利说：“与数据最匹配的数值就是我们提取的结果。”
CMS的结果与LHC中其他实验——ATLAS和LHCb——的结果基本一致，这些实验使用了不同的探测器和方法，这使团队对他们的数值充满信心，曼卡说。
异常评估
目前没有人能确定为何CDF的结果如此不同。一个可能的原因是，CDF使用了与CMS不同的理论工具来生成模拟。CDF检测的是来自一个质子-反质子加速器（称为Tevatron，该加速器于2011年关闭）的碰撞，而LHC只进行质子碰撞。曼卡说：“我们无法找到明确的理由来解释为什么结果会有如此大的不同。”
科特瓦尔说，他需要看到即将在未来几个月发表的CMS论文，以了解团队的方法。他说：“人们一直在回顾我们的做法，尚未发现任何明显的缺陷。同样的审查也需要对CMS进行。”
达成关于W质量的共识意味着需要汇集各个实验的专家以及理论家，以尝试理解为何结果不同。卡内利说：“我们不能让CDF的结果成为一个异常值，我们需要理解它的原因或理由。”
虽然CMS没有发现异常，但这10年的过程创造了允许物理学家进行其他精确测量的工具。曼卡认为，最终将是这些高精度的比较打破标准模型。
AI学术导师评论
这篇文章关于CERN的CMS实验对W玻色子质量的测量，代表了粒子物理学领域中一项至关重要的进展。这项研究不仅展示了现代科学在探索基本粒子及其相互作用时的复杂性，还彰显了标准模型的坚韧与现有理论框架的准确性。
首先，CMS团队花费了10年的时间，依靠精密的实验和分析方法，得出了与标准模型一致的W玻色子质量。这一成果驳斥了2022年费米实验室CDF团队的异常结果，后者曾引发人们对标准模型裂缝的猜测。这反映了科学研究的严谨性与长期性的本质。科学界的进展往往伴随着不断的验证与挑战，而这项CMS的研究恰好说明了，尽管怀疑和异常结果会带来学术上的激动与讨论，最终仍需依赖坚实的实验数据和精确的分析才能得出可靠结论。
其次，这次测量突出了高精度实验在粒子物理中的重要性。W玻色子的质量测量极为困难，尤其是因为衰变过程中有一部分信息（如中微子）无法被探测到。CMS团队通过缪子衰变这一路径，重建了大规模的数据集，并结合数十亿次模拟碰撞和大量参数优化，这种高精度的实验手段再次证明了现有工具和理论的力量。
从学术文化的角度来看，CDF和CMS结果之间的差异引发了物理学界对实验和理论工具的深入讨论。这种对话展示了科学方法论的关键特性，即即便面对不同的结果，科学家们也需要通过持续的校准、比较和独立的验证来得出一致的结论。正如文中所提到的那样，汇集各个实验室和理论专家进行协作，将成为解决这些矛盾的关键步骤。
最后，这次研究还强调了学术界对标准模型的期待与怀疑。物理学家们长期以来渴望发现超出标准模型的新物理现象，因为现有理论无法解释诸如暗物质等神秘现象。然而，正如CMS团队所展示的那样，尽管科学家们期待突破，但现有理论的稳固性依然令人叹服。虽然这次CMS的结果没有发现新的异常，但这并不意味着对新物理学的探索已经结束。正如文中所述，这些高精度工具为未来的突破奠定了基础。
总的来说，CMS对W玻色子质量的测量不仅是对标准模型的再一次验证，更是科学方法论和精密实验在现代物理学中的胜利。它提醒我们，学术进展是通过持久的努力、批判的审视和持续的改进得以实现的。希望这一进展能够推动未来更多基础粒子物理研究，最终解开那些尚未回答的宇宙奥秘。
1. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03042-9
