金磊 博雯 發自 凹非寺

量子位 | 公衆號 QbitAI

W玻色子嚴重“超重”，帶來的風波還在繼續。

這項被譽爲是“十年來最重磅物理學發現”的研究，對於物理學界正是“垂死病中驚坐起，還能發現新物理”[9]。

若驗證爲真，將使得基礎物理學理論被重新改寫。

但如果無法驗證呢？

是的，現在已有不少物理學家表示：

這項登上了Science封面的實驗結果是孤證，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據的關鍵產出設備，在2011年就已經被關閉了。

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”數據完成了這項實驗。

在這種情況下，如果最終得到的顛覆性的實驗結果只是源於裝置的某個故障，也難以再次複查和驗證——

別覺得這樣的質疑無厘頭，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果：中微子速度超越真空中的光速。

然而在近一年的細緻排查後，才發現這一結果其實是由一個光纖接口不牢固導致的。

那麼這次鬆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。

一場無法再復現的“烏雲”

這次，我們從用於那臺產出重要實驗數據的裝置來看這項引爆物理學界的實驗。

就是這臺1970年12月啓動，位於芝加哥的美國費米國家實驗室的Tevatron加速器。

△兩個圓環都是Tevatron加速器的組成部分

Tevatron加速器周長6千米，曾經是世界上最強的加速器。

它的主要功能，就是將正反質子加速，使得正反質子分別在圓環形真空軌道內順時針和逆時針運動，在對撞點處受磁場控制偏向後對撞。

其上還搭載了一個複合粒子探測器（CDF）。

正反質子對撞後，會產生新的粒子飛出，併產生一條條徑跡。

這時，CDF內不同的層就會測量不同類型粒子的動量、能量及其分佈：

Tevatron加速器最著名的成果，就是在1995年發現了粒子物理學標準模型預測的最後一個基本費米子：頂夸克。

不過，隨着更加強大的對撞機LHC的出現，Tevatron加速器只活躍到了2011年，便因缺乏經費被關閉，並在隨後的幾年中逐漸被拆除了。

從2001年到2011年，Tevatron對撞機產生了大約500萬億次碰撞，費米實驗室的科學家們就對這些數據進行分析，並提取出了大約100萬個W玻色子。

而從那時起到現在的十餘年裏，研究人員沒有獲得任何新的實驗數據。

但在十年內，他們成功將Tevatron對撞機產生的粒子的軌跡分辨率從150微米提升到了30微米，同時又從數據中提取了300萬個W玻色子。

對於收集到的對撞產物的能量、動量的分佈，研究人員對數據進行清晰之後，得到了其分佈的峯值：

這些分佈都被用來測量W玻色子的質量。

最終，費米實驗室團隊實現了有史以來人類對W玻色子質量最精確的測量——精確度達到了117ppm（ppm表示每百萬分之一）。

這一結果，就彷彿向物理學界投入了一顆重磅炸彈。

是“新烏雲”還是“新烏龍”？

於是乎，與之相關的討論也隨之熱了起來。

單是在arXiv上，在此之後便有了近30篇的預印本論文發表：

第一種“聲音”，是通過其它實驗來給CDF的測量做佐證。

對於一些物理學家來說，W玻色子質量的異常，正好能去年發現的μ子磁矩異常聯繫起來。

當時科學家發現μ子磁矩也和標準模型矛盾，而W玻色子的實驗結果，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性。

而這項研究認爲CDF的測量結果，等於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。

南京師範大學和 德累斯頓工業大學等研究，提出了用FlexibleSUSY，對標準模型以外的模型中W玻色子極質量的最新計算。

研究人員將計算結果應用到了幾個標準模型的擴展，結果認爲：

符合CDF的新測量。

但與此同時，物理圈裏也有不一樣的聲音。

例如來自復旦、中科院的研究，便基於CDF測量結果，在各種框架和假設下進行電弱全局擬合。

不過在論文的最後，研究人員還是表示：

非常需要更多的理論和實驗發展，來揭示這種差異背後的物理學。

與此同時，面對研究引發的“新物理學”的說法，也有更加犀利的聲音——

“I fear not （yet）。”

發表這個觀點的，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玻色子質量，他認爲這項測試是一件非常困難的事情。

而當他看完Science發表的這篇論文後評價道：

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。

我認爲這一點在他們的論文中沒有表達地很好。

主要是因爲LEP實驗的測量結果沒有被結合起來；其次是因爲他們沒有顯示LHCb的最新結果。

對此，Matthias Schott教授還新建了一張圖表，可以看到，此次7σ的結果與此前的測量結果完全不重合，確爲一個孤證。

△ CDF與其它W玻色子質量測量的比較，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，這次實驗並不是獨立測量，是有依賴於現有模型；如果未來有理論模型更新，可能會影響測量結果。

除此之外，關於“Tevatron加速器在2011年就關閉”這個點，也有聲音認爲是潛在因素之一。

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

但結果卻是，實驗組發現這是由一個光纖接口不牢固導致的。

無獨有偶，Matthias Schott教授也曾提到過因爲裝置而產生的趣聞。

在他和團隊通過ATLAS探測器測量W波色子質量過程中，有很長一段時間對數據中的特徵無法做出解釋。

最終他們的發現是ATLAS探測器因爲自身重量達到7000噸，隨着時間的推移而變形造成的。

……

而至於費米實驗室此次測量的結果是否會真的引發“新物理學”，答案還需交給時間和未來的發展。

不過正如Matthias Schott教授，有一點是值得肯定的：

W玻色子質量在未來的研究中是值得的！

[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