W玻色子比任何人预想的都要重

CDF探测器刚刚对W玻色子的质量进行了新的“重力”测量，震惊了物理学家。

对一种被称为W玻色子的亚原子粒子的质量进行超精确测量，可能会偏离标准模型(Standard Model)。标准模型是一个长期主导量子物理奇异世界的框架。

在伊利诺斯州的费米实验室，科学家们用原子加速器合作了10年之后，宣布了这项新的测量方法。这项方法非常精确，他们把它比作发现了一只800磅(363公斤)的大猩猩的重量，精确到1.5盎司(42.5克)。他们的结果表明，弱核力的载体W玻色子的质量比标准模型预测的要高7个标准差。这是一个非常高的确定性，代表了一个非常小的概率，这个结果是纯粹偶然发生的。

费米实验室研究副主任Joe Lykken在一份声明中说:“虽然这是一个有趣的结果，但在完全解释之前，还需要通过另一个实验来证实。”

新的结果也不符合旧的实验测量W玻色子的质量。这一测量结果是一个实验偶然现象，还是标准模型中出现的第一个裂缝，还有待观察。如果这个结果经得起检验并且可以被复制，那就意味着我们需要用新的粒子和力来修正或扩展标准模型。

弱核力的强度

当质子和反质子在费米实验室的电子伏对撞机内以接近光速的速度碰撞在一起时，W玻色子有时会突然出现

弱核力也许是自然界四种基本力中最奇特的一种。它由三种力载体传播，即玻色子。其中单Z玻色子带中性电荷，W+玻色子带正电荷，W-玻色子带负电荷。

因为这三种玻色子都有质量，它们的传播速度比光速慢，最终会衰变为其他粒子，这使得弱核力的范围相对有限。尽管有这些限制，弱力还是导致了放射性衰变，而且它是唯一与充斥宇宙的神秘幽灵般的粒子——中微子直接相互作用的力(除了重力)。

确定弱力载体的质量是对标准模型(Standard Model)的关键检验。标准模型是一种结合了量子力学、狭义相对论和自然对称性的物理理论，用来解释和预测电磁、强核力和弱核力的行为。(是的，重力是模型无法解释的“房间里的大象”。)标准模型是物理学史上发展起来的最精确的理论，其最伟大的成就之一是成功预测了希格斯玻色子的存在，希格斯玻色子的量子力学场产生了许多其他粒子的质量，包括W玻色子。

根据标准模型，在高能时，电磁力和弱核力结合成一个统一的力，称为电弱相互作用。但在低能量(或日常生活的典型能量)时，希格斯玻色子介入，在这两种力之间制造了一个楔子。通过同样的过程，希格斯玻色子也将质量赋予弱力载体。

如果你知道希格斯玻色子的质量，那么你就可以计算出W玻色子的质量，反之亦然。标准模型要想成为亚原子物理学的一个连贯理论，它必须与自身保持一致。如果你测量希格斯玻色子，并利用这个测量来预测W玻色子的质量，它应该与W玻色子质量的独立、直接测量一致。

数据洪流

利用费米实验室(CDF)的对撞机探测器(CDF位于巨大的Tevatron粒子加速器内)，400多名科学家合作研究了400多万次质子与反质子独立碰撞的数据，以研究W玻色子的质量。在这些超高能碰撞中，W玻色子衰变为介子或电子(以及中微子)。这些发射粒子的能量与W玻色子的潜在质量直接相关。

杜克大学(Duke University)粒子物理学家阿舒托什·v·科特瓦尔(Ashutosh V. Kotwal)是这项分析的负责人，他说，“我们的结果中有大量的改进和额外的检查。”“我们考虑了我们对粒子探测器的更好理解，以及对W玻色子与其他粒子相互作用的理论和实验理解的进展。当我们最终公布结果时，我们发现它与标准模型的预测不同。”

与CDF合作的团队测量到W玻色子的值为80433 9 MeV/c2，比质子重约80倍，比预期重约0.1%。测量中的不确定性既来自于统计上的不确定性(就像你在选举中进行民意测验所得到的不确定性一样)，也来自于系统上的不确定性(当你的实验设备并不总是按照你设计的方式运行时就会产生系统上的不确定性)。达到惊人的0.01%的精确水平本身就是一项艰巨的任务，就像把自己的体重降到不到四分之一盎司一样。

“在过去的40年里，许多对撞机实验已经测量出了W玻色子的质量，”CDF的联合发言人Giorgio Chiarelli在声明中说，他是意大利国家核物理研究所的研究主任。“这些是具有挑战性的、复杂的测量，而且它们已经达到了前所未有的精度。我们花了很多年的时间来检查所有的细节和必要的检查。”

大的结果，小的差异

结果与标准模型预测的W玻色子质量为80,357 6 MeV/c2不同。计算中的不确定性(“ ”)来自于对希格斯玻色子和其他粒子测量的不确定性，这些不确定性必须加入到计算中，而计算本身则依赖于几种近似技术。

从绝对意义上说，结果之间的差异不是很大。然而，由于精度较高，它们被七个标准差分开，表明存在较大的差异。

这个新结果也不同意之前其他对撞机实验的测量结果，这些测量结果在很大程度上与标准模型的预测一致。目前还不清楚这一结果是由实验中未知的偏差引起的，还是新物理学的第一个迹象。

如果CDF的结果成立，并且其他实验可以验证它，这可能是一个迹象，表明W玻色子的质量比它与希格斯玻色子的相互作用更重要。也许是一个以前未知的粒子或场，或者甚至是暗物质，正在以一种标准模型目前无法预测的方式与W玻色子相互作用。

尽管如此，该结果是测试标准模型准确性的重要一步，CDF的联合发言人David Toback说，他是德克萨斯A&M大学的物理学和天文学教授。他说:“现在要靠理论物理学界和其他实验来跟进这个问题，并解开这个谜团。”

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