Science封面引爆物理學(xué)界：W玻色子嚴(yán)重超重，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型又裂開了

魚羊 2022-04-08 13:45:09 來源：量子位

魚羊 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

最新Science封面文章，給物理學(xué)界投下了一枚重磅炸彈。

來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，一種名為W玻色子的粒子質(zhì)量嚴(yán)重偏離了理論預(yù)測值。

而這也就意味著，此前的一系列基礎(chǔ)物理學(xué)理論可能要重新改寫！

論文一出，物理學(xué)家們已經(jīng)炸了鍋。

布法羅大學(xué)的Dorren Wackeroth就對Science表示：

這種差異可能暗示著一種從未被發(fā)現(xiàn)的粒子的存在。

馬德里理論物理研究所的物理學(xué)家Sven Heinemeyer甚至直接說“這將徹底改變我們看待世界的方式”。

香港科技大學(xué)物理學(xué)系助理教授王一的知乎回答可能更直觀體現(xiàn)了物理學(xué)研究者們的心情：

垂死病中驚坐起，還能發(fā)現(xiàn)新物理（

這究竟是怎么一回事？

重了0.1%的W玻色子

先簡單介紹一下什么是W玻色子。

我們知道，宇宙中有四大基本相互作用：引力作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

而W玻色子就是一種負(fù)責(zé)傳遞弱相互作用的基本粒子，其質(zhì)量關(guān)系著弱相互作用力的強(qiáng)弱。

更通俗一點(diǎn)講，W玻色子是參與核聚變的重要粒子。

此番，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的最新論文就聚焦W玻色子的質(zhì)量，對其進(jìn)行了迄今為止精度最高的測量：

科學(xué)家們對Tevatron對撞機(jī)2002年至2011年這10年間產(chǎn)生的W玻色子數(shù)據(jù)進(jìn)行了持續(xù)分析，發(fā)現(xiàn)W玻色子的質(zhì)量為80,433±9.4MeV，這一結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測值重了76MeV——相當(dāng)于差出去了了152個電子的質(zhì)量。

并且，這一測量結(jié)果與理論值的偏差達(dá)到了7個σ。意味著統(tǒng)計偏差導(dǎo)致結(jié)果異常的概率不超過0.000000000256%。

通常來說，5個σ就能算得上一項(xiàng)真正意義上的物理新發(fā)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，在微觀領(lǐng)域取得了巨大的成功。2012年希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有粒子都已被發(fā)現(xiàn)。

因此，別看相比于理論值只超重了小小的0.1%，如果這個實(shí)驗(yàn)結(jié)論能被獨(dú)立重復(fù)證實(shí)，就意味著很可能有尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子或力存在，這無疑會對現(xiàn)有的粒子物理理論體系造成沖擊。

比如希格斯機(jī)制。

由于弱力是一種短程力，因此在理論上，W玻色子是一種很重的粒子。

為了解釋其質(zhì)量，科學(xué)家引入了希格斯機(jī)制：

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，假若溫度足夠高，物理系統(tǒng)的電弱對稱性沒有被打破，則所有基本粒子都不具有質(zhì)量。

當(dāng)溫度降到低于臨界溫度，希格斯場會變得不穩(wěn)定，會躍遷至最低能量態(tài)，即量子力學(xué)的真空，整個物理系統(tǒng)的連續(xù)對稱性因此被自發(fā)打破，W玻色子、Z玻色子、費(fèi)米子也會因此獲得質(zhì)量。

這里可以簡單理解成，W玻色子的質(zhì)量是希格斯機(jī)制給的。

那么一旦W玻色子的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型下的預(yù)測值不符，很有可能希格斯機(jī)制就是存在問題的。

而這也就意味著，背后可能存在著一個全新的物理學(xué)世界。

需要說明的是，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的這個最新結(jié)果，與他們在2012年公布的數(shù)據(jù)（80387±19MeV），以及歐洲核子研究中心（CERN）通過ATLAS實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果（80370±19MeV）均不同。

這些更早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是與標(biāo)準(zhǔn)模型相符的。

因此，物理學(xué)研究者們?nèi)缃穸荚谄诖龤W洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)能盡快驗(yàn)證最新結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)模型的裂痕

事實(shí)上，這已經(jīng)不是標(biāo)準(zhǔn)模型第一次受到?jīng)_擊。

就在去年4月，同樣是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，就在頂級期刊《物理評論快報》上發(fā)表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，稱μ子的磁性超出了理論預(yù)測，難以用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行解釋。

這可能意味著，與μ子相互作用的粒子中存在至今未被發(fā)現(xiàn)的粒子，如暗物質(zhì)粒子，或超對稱理論預(yù)言的粒子。

但除了最新Science封面文章，此前的“質(zhì)疑”都沒有達(dá)到粒子物理新發(fā)現(xiàn)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”——5σ。

也就是說，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室給出的這個新結(jié)果，是目前科學(xué)家們在標(biāo)準(zhǔn)模型中發(fā)現(xiàn)的最大“bug”。

總而言之，物理學(xué)界接下來顯然有得忙了。

論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

參考鏈接：
[1]https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics
[2]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/