最新测量结果显示W玻色子比预期的要重

太阳、核电站和碳年代测定法都是通过原子中心粒子之间的相互作用获得的。这部分是一种亚原子粒子——W玻色子的工作。W玻色子是弱核力的无形载体，弱核力是导致放射性衰变的宇宙基本力。

这也是粒子物理学中最新的谜题。4月7日发表在《科学》(Science)杂志上的最新、最精确、最准确的W玻色子质量测量结果显示，该粒子比预期的要重。

这是很难解释的偏差。”如果测量结果被证实——这是一个非常大的假设——这可能是迄今为止最强有力的证据，表明粒子物理学长期以来在最小尺度上对宇宙的理解，也就是所谓的标准模型，还没有完成。自然界是否还隐藏着另一种会影响这个特定量的粒子?杜克大学粒子物理学家阿舒托什·科特瓦尔(Ashutosh Kotwal)说，他也是发表这篇论文的合作伙伴之一。W玻色子并不是新发现的粒子:欧洲核子研究中心(CERN)的科学家们在20世纪80年代初就发现了它，而理论学家们早在10年前就预测了它的存在。从一开始，解决它的问题就是我们的目标。

加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的粒子物理学家克劳迪奥·坎帕纳里(Claudio Campagnari)说:“这种测量方法由来已久，而且精度也越来越高，因为它一直被认为是一种非常重要的测量方法。”他并不是这篇论文的作者之一。

事实上，最新的《科学》论文是十多年前的实验成果。这篇论文的众多合作者都使用了来自Tevatron的数据。Tevatron是一种粒子加速器，位于芝加哥郊区的费米实验室，它的最后一次碰撞发生在2011年。

当粒子绕着费米实验室的环旋转并相互碰撞时，它们会爆发成一团闪闪发光的高能粒子五彩纸屑——包括w玻色子。随着更多的碰撞，科学家们得到了更多的数据，以拼凑出W玻色子的质量。

我们为自己定义的任务是:去衡量事实。Kotwal说，这是我们迄今为止所做的最大努力。这些粒子以接近光速的速度绕着加速器旋转，几乎在瞬间相互撞击。另一方面，分析它们的碰撞需要数年时间。费米实验室的研究小组在2006年和2012年就做过这样的实验，他们分别用了4年和5年时间来整理之前的数据。这是因为测量W玻色子的质量是一个精细而高度敏感的过程，必须考虑到各种微小的干扰，从加速器内部磁场的变化到观测到碰撞的探测器的角度。

“小错误可能产生重大影响,因此必须非常仔细地做,据我所知,作者做了一个很细致的工作,这年代为什么他们已经工作这么多年”,卡坦穆德斯,一个粒子在欧洲核子研究中心的物理学家,在瑞士,他并没有这篇论文的作者之一。该研究的作者花了十多年的时间。最后，他们发现W玻色子的质量比之前的任何测量都要大，而且大得无法与理论预测相匹配。几乎可以肯定的是，这一差异太大了，不能单纯地当作统计上的偶然事件。

“我不认为人们真的期望一个新的结果会离预测如此之远，”坎帕格纳里说。

W玻色子是标准模型(现代粒子物理学的核心)墙上的一块砖。标准模型由十几个亚原子粒子组成，它们是宇宙的基本组成部分，被理论的束缚紧紧地 编织在一起。标准模型一直是物理学家发现新粒子的向导:最值得注意的是，它引导研究人员找到了希格斯玻色子(Higgs boson)，这是一种长期寻找的粒子，有助于赋予它的同类粒子质量。标准模型的预测一次又一次地被证实了。

但是标准模型并不是一个纲要，它所描绘的宇宙的许多方面都没有得到解答。它不能解释万有引力是如何运作的，不能解释暗物质，也不能解释为什么宇宙中物质比反物质多这么多。

“我们绝不相信标准模型在本质上是完整的，”科特瓦尔说。

如果这个结果成立，“我想我们可以诚实地说，这可能是标准模型多年来遇到的最大问题，”穆德斯说。

在接下来的几天或几个月里，粒子物理学家们将仔细研究这篇论文的各个方面，以寻求一个解释。费米实验室团队可能犯了一个未被发现的错误;也有可能，理论背景的细微调整可以解释这种差异。

即使费米实验室的发现是正确的，这项任务仍然没有完成。物理学家们将不得不独立地交叉检查结果，并在一个完全不同的实验中验证它。例如，他们想知道，为什么之前没有测量到像这个一样大的W玻色子。“对此，希望寄托在CERN的实验上，”穆德斯说。

事实上，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)已经观测到了比Tevatron更多的W玻色子。现在，研究这些数据的科学家有了新的动力来计算这些观测数据的质量。当大型强子对撞机在今年晚些时候全面投入运行时，或者在未来的2027年升级时，他们可能会从新的碰撞中得到帮助。

但假设LHC确实提供了证据。那么，行为不正的W玻色子可能是潜伏在量子阴影中看不见的东西的指纹。也许这是另一种粒子的标志，比如一种长期以来难以捉摸的超对称性理论所预测的粒子，或者一种迄今为止未知的力。

穆德斯说:“这是我们认为的标准模型的核心，而这将被打破……你必须开始质疑一切。”