引爆物理界的新發(fā)現(xiàn)：登頂封面卻難以復現(xiàn)，實驗設(shè)備11年前就拆了

十三 2022-04-12 14:46:46 來源：量子位

金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

W玻色子嚴重“超重”，帶來的風波還在繼續(xù)。

這項被譽為是“十年來最重磅物理學發(fā)現(xiàn)”的研究，對于物理學界正是“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)物理學理論被重新改寫。

但如果無法驗證呢？

是的，現(xiàn)在已有不少物理學家表示：

這項登上了Science封面的實驗結(jié)果是孤證，還需要其他實驗進一步確認。

究其原因，還是這項實驗所用數(shù)據(jù)的關(guān)鍵產(chǎn)出設(shè)備，在2011年就已經(jīng)被關(guān)閉了。

因此，費米實驗室的研究人員可以說是使用了十年前的“過期”數(shù)據(jù)完成了這項實驗。

在這種情況下，如果最終得到的顛覆性的實驗結(jié)果只是源于裝置的某個故障，也難以再次復查和驗證——

別覺得這樣的質(zhì)疑無厘頭，2011年時，來自意大利的OPERA實驗組就有過同樣顛覆性的實驗結(jié)果：中微子速度超越真空中的光速。

然而在近一年的細致排查后，才發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果其實是由一個光纖接口不牢固導致的。

那么這次松動的到底是物理學的大廈，還是費米實驗室裝置的光纖接口，也只能靜待更多的驗證了。

一場無法再復現(xiàn)的“烏云”

這次，我們從用于那臺產(chǎn)出重要實驗數(shù)據(jù)的裝置來看這項引爆物理學界的實驗。

就是這臺1970年12月啟動，位于芝加哥的美國費米國家實驗室的Tevatron加速器。

△兩個圓環(huán)都是Tevatron加速器的組成部分

Tevatron加速器周長6千米，曾經(jīng)是世界上最強的加速器。

它的主要功能，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合粒子探測器（CDF）。

正反質(zhì)子對撞后，會產(chǎn)生新的粒子飛出，并產(chǎn)生一條條徑跡。

這時，CDF內(nèi)不同的層就會測量不同類型粒子的動量、能量及其分布：

Tevatron加速器最著名的成果，就是在1995年發(fā)現(xiàn)了粒子物理學標準模型預(yù)測的最后一個基本費米子：頂夸克。

不過，隨著更加強大的對撞機LHC的出現(xiàn)，Tevatron加速器只活躍到了2011年，便因缺乏經(jīng)費被關(guān)閉，并在隨后的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，費米實驗室的科學家們就對這些數(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)在的十余年里，研究人員沒有獲得任何新的實驗數(shù)據(jù)。

但在十年內(nèi)，他們成功將Tevatron對撞機產(chǎn)生的粒子的軌跡分辨率從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。

對于收集到的對撞產(chǎn)物的能量、動量的分布，研究人員對數(shù)據(jù)進行清晰之后，得到了其分布的峰值：

這些分布都被用來測量W玻色子的質(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)量最精確的測量——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)的討論也隨之熱了起來。

單是在arXiv上，在此之后便有了近30篇的預(yù)印本論文發(fā)表：

第一種“聲音”，是通過其它實驗來給CDF的測量做佐證。

對于一些物理學家來說，W玻色子質(zhì)量的異常，正好能去年發(fā)現(xiàn)的μ子磁矩異常聯(lián)系起來。

當時科學家發(fā)現(xiàn)μ子磁矩也和標準模型矛盾，而W玻色子的實驗結(jié)果，可以用來解釋μ子磁矩異常的問題。

比如一項來自美國俄克拉荷馬州立大學與馬普所的工作，就是探討二者的相關(guān)性。

而這項研究認為CDF的測量結(jié)果，等于是用一個異常解釋了另一個異常。

還有人提出了新的計算W玻色子的模型。

南京師范大學和?德累斯頓工業(yè)大學等研究，提出了用FlexibleSUSY，對標準模型以外的模型中W玻色子極質(zhì)量的最新計算。

研究人員將計算結(jié)果應(yīng)用到了幾個標準模型的擴展，結(jié)果認為：

符合CDF的新測量。

但與此同時，物理圈里也有不一樣的聲音。

例如來自復旦、中科院的研究，便基于CDF測量結(jié)果，在各種框架和假設(shè)下進行電弱全局擬合。

不過在論文的最后，研究人員還是表示：

非常需要更多的理論和實驗發(fā)展，來揭示這種差異背后的物理學。

與此同時，面對研究引發(fā)的“新物理學”的說法，也有更加犀利的聲音——

“I fear not (yet).”

發(fā)表這個觀點的，是來自德國美因茨大學的Matthias Schott教授。

他也是從2012年開始研究W玻色子質(zhì)量，他認為這項測試是一件非常困難的事情。

而當他看完Science發(fā)表的這篇論文后評價道：

一個主要的問題是，新的測量方法與所有其他可用的測量方法不一致。

我認為這一點在他們的論文中沒有表達地很好。

主要是因為LEP實驗的測量結(jié)果沒有被結(jié)合起來；其次是因為他們沒有顯示LHCb的最新結(jié)果。

對此，Matthias Schott教授還新建了一張圖表，可以看到，此次7σ的結(jié)果與此前的測量結(jié)果完全不重合，確為一個孤證。

△ CDF與其它W玻色子質(zhì)量測量的比較，偏離7σ是個孤例

而在費米實驗室的論文也提到了一點：

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，也有聲音認為是潛在因素之一。

正如剛開始我們提到的，此前在探測中微子振蕩的OPERA實驗組，就宣布過其所測中微子速度超越了真空中的光速。

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致的。

無獨有偶，Matthias Schott教授也曾提到過因為裝置而產(chǎn)生的趣聞。

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)中的特征無法做出解釋。

最終他們的發(fā)現(xiàn)是ATLAS探測器因為自身重量達到7000噸，隨著時間的推移而變形造成的。

……

而至于費米實驗室此次測量的結(jié)果是否會真的引發(fā)“新物理學”，答案還需交給時間和未來的發(fā)展。

不過正如Matthias Schott教授，有一點是值得肯定的：

W玻色子質(zhì)量在未來的研究中是值得的！

參考鏈接：

[1]https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics
[2]https://arxiv.org/search/?searchtype=all&query=W+boson&abstracts=show&size=50&order=-submitted_date
[3]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ke6khJ-TFOrK5nGJ-AdXDg
[5]https://arxiv.org/abs/2204.05303
[6]https://arxiv.org/abs/2204.05296
[7]https://arxiv.org/abs/2204.05285
[8]https://non-trivial-solution.blogspot.com/2022/04/do-we-have-finally-found-new-physics.html
[9]王一研究宇宙：https://www.zhihu.com/question/526650510/answer/2428671332