金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
W玻色子嚴(yán)重“超重”，帶來得風(fēng)波還在繼續(xù)。
這項被譽為是“十年來最重磅物理學(xué)發(fā)現(xiàn)”得研究，對于物理學(xué)界正是“垂死病中驚坐起，還能發(fā)現(xiàn)新物理”[9]。
若驗證為真，將使得基礎(chǔ)物理學(xué)理論被重新改寫。
但如果無法驗證呢？
是得，現(xiàn)在已有不少物理學(xué)家表示：
這項登上了Science封面得實驗結(jié)果是孤證，還需要其他實驗進一步確認(rèn)。
究其原因，還是這項實驗所用數(shù)據(jù)得關(guān)鍵產(chǎn)出設(shè)備，在2011年就已經(jīng)被關(guān)閉了。
因此，費米實驗室得研究人員可以說是使用了十年前得“過期”數(shù)據(jù)完成了這項實驗。
在這種情況下，如果最終得到得顛覆性得實驗結(jié)果只是源于裝置得某個故障，也難以再次復(fù)查和驗證——
別覺得這樣得質(zhì)疑無厘頭，2011年時，來自意大利得OPERA實驗組就有過同樣顛覆性得實驗結(jié)果：中微子速度超越真空中得光速。
然而在近一年得細(xì)致排查后，才發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果其實是由一個光纖接口不牢固導(dǎo)致得。
那么這次松動得到底是物理學(xué)得大廈，還是費米實驗室裝置得光纖接口，也只能靜待更多得驗證了。
一場無法再復(fù)現(xiàn)得“烏云”這次，我們從用于那臺產(chǎn)出重要實驗數(shù)據(jù)得裝置來看這項引爆物理學(xué)界得實驗。
就是這臺1970年12月啟動，位于芝加哥得美國費米China實驗室得Tevatron加速器。
△兩個圓環(huán)都是Tevatron加速器得組成部分
Tevatron加速器周長6千米，曾經(jīng)是世界上最強得加速器。
它得主要功能，就是將正反質(zhì)子加速，使得正反質(zhì)子分別在圓環(huán)形真空軌道內(nèi)順時針和逆時針運動，在對撞點處受磁場控制偏向后對撞。
其上還搭載了一個復(fù)合粒子探測器（CDF）。
正反質(zhì)子對撞后，會產(chǎn)生新得粒子飛出，并產(chǎn)生一條條徑跡。
這時，CDF內(nèi)不同得層就會測量不同類型粒子得動量、能量及其分布：
Tevatron加速器最著名得成果，就是在1995年發(fā)現(xiàn)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測得最后一個基本費米子：頂夸克。
不過，隨著更加強大得對撞機LHC得出現(xiàn)，Tevatron加速器只活躍到了2011年，便因缺乏經(jīng)費被關(guān)閉，并在隨后得幾年中逐漸被拆除了。
從2001年到2011年，Tevatron對撞機產(chǎn)生了大約500萬億次碰撞，費米實驗室得科學(xué)家們就對這些數(shù)據(jù)進行分析，并提取出了大約100萬個W玻色子。
而從那時起到現(xiàn)在得十余年里，研究人員沒有獲得任何新得實驗數(shù)據(jù)。
但在十年內(nèi)，他們成功將Tevatron對撞機產(chǎn)生得粒子得軌跡分辨率從150微米提升到了30微米，同時又從數(shù)據(jù)中提取了300萬個W玻色子。
對于收集到得對撞產(chǎn)物得能量、動量得分布，研究人員對數(shù)據(jù)進行清晰之后，得到了其分布得峰值：
這些分布都被用來測量W玻色子得質(zhì)量。
最終，費米實驗室團隊實現(xiàn)了有史以來人類對W玻色子質(zhì)量最精確得測量——精確度達到了117ppm（ppm表示每百萬分之一）。
這一結(jié)果，就仿佛向物理學(xué)界投入了一顆重磅炸彈。
是“新烏云”還是“新烏龍”？于是乎，與之相關(guān)得討論也隨之熱了起來。
單是在arXiv上，在此之后便有了近30篇得預(yù)印本論文發(fā)表：
第壹種“聲音”，是通過其它實驗來給CDF得測量做佐證。
對于一些物理學(xué)家來說，W玻色子質(zhì)量得異常，正好能去年發(fā)現(xiàn)得μ子磁矩異常聯(lián)系起來。
當(dāng)時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)μ子磁矩也和標(biāo)準(zhǔn)模型矛盾，而W玻色子得實驗結(jié)果，可以用來解釋μ子磁矩異常得問題。
比如一項來自美國俄克拉荷馬州立大學(xué)與馬普所得工作，就是探討二者得相關(guān)性。
而這項研究認(rèn)為CDF得測量結(jié)果，等于是用一個異常解釋了另一個異常。
還有人提出了新得計算W玻色子得模型。
南京師范大學(xué)和 德累斯頓工業(yè)大學(xué)等研究，提出了用FlexibleSUSY，對標(biāo)準(zhǔn)模型以外得模型中W玻色子極質(zhì)量得最新計算。
研究人員將計算結(jié)果應(yīng)用到了幾個標(biāo)準(zhǔn)模型得擴展，結(jié)果認(rèn)為：
符合CDF得新測量。
但與此同時，物理圈里也有不一樣得聲音。
例如來自復(fù)旦、中科院得研究，便基于CDF測量結(jié)果，在各種框架和假設(shè)下進行電弱全局?jǐn)M合。
不過在論文得最后，研究人員還是表示：
非常需要更多得理論和實驗發(fā)展，來揭示這種差異背后得物理學(xué)。
與此同時，面對研究引發(fā)得“新物理學(xué)”得說法，也有更加犀利得聲音——
“I fear not (yet).”
發(fā)表這個觀點得，是來自德國美因茨大學(xué)得Matthias Schott教授。
他也是從2012年開始研究W玻色子質(zhì)量，他認(rèn)為這項測試是一件非常困難得事情。
而當(dāng)他看完Science發(fā)表得這篇論文后評價道：
一個主要得問題是，新得測量方法與所有其他可用得測量方法不一致。
我認(rèn)為這一點在他們得論文中沒有表達地很好。
主要是因為LEP實驗得測量結(jié)果沒有被結(jié)合起來；其次是因為他們沒有顯示LHCb得最新結(jié)果。
對此，Matthias Schott教授還新建了一張圖表，可以看到，此次7σ得結(jié)果與此前得測量結(jié)果完全不重合，確為一個孤證。
△ CDF與其它W玻色子質(zhì)量測量得比較，偏離7σ是個孤例
而在費米實驗室得論文也提到了一點：
大致意思就是，這次實驗并不是獨立測量，是有依賴于現(xiàn)有模型；如果未來有理論模型更新，可能會影響測量結(jié)果。
除此之外，關(guān)于“Tevatron加速器在2011年就關(guān)閉”這個點，也有聲音認(rèn)為是潛在因素之一。
正如剛開始我們提到得，此前在探測中微子振蕩得OPERA實驗組，就宣布過其所測中微子速度超越了真空中得光速。
但結(jié)果卻是，實驗組發(fā)現(xiàn)這是由一個光纖接口不牢固導(dǎo)致得。
無獨有偶，Matthias Schott教授也曾提到過因為裝置而產(chǎn)生得趣聞。
在他和團隊通過ATLAS探測器測量W波色子質(zhì)量過程中，有很長一段時間對數(shù)據(jù)中得特征無法做出解釋。
最終他們得發(fā)現(xiàn)是ATLAS探測器因為自身重量達到7000噸，隨著時間得推移而變形造成得。
……
而至于費米實驗室此次測量得結(jié)果是否會真得引發(fā)“新物理學(xué)”，答案還需交給時間和未來得發(fā)展。
不過正如Matthias Schott教授，有一點是值得肯定得：
W玻色子質(zhì)量在未來得研究中是值得得！
參考鏈接：
[1]特別science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics
[2]arxiv.org/search/?searchtype=all&query=W+boson&abstracts=show&size=50&order=-submitted_date
[3]特別quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/
[4]*/s/ke6khJ-TFOrK5nGJ-AdXDg
[5]arxiv.org/abs/2204.05303
[6]arxiv.org/abs/2204.05296
[7]arxiv.org/abs/2204.05285
[8]non-trivial-solution.blogspot/2022/04/do-we-have-finally-found-new-physics.html
[9]王一研究宇宙：特別zhihu/question/526650510/answer/2428671332
— 完 —
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