来源：《中国科学报》 (2022-04-11)
费米实验室的对撞机探测器记录了1985年至2011年间由Tevatron对撞机产生的高能粒子碰情况。来自23个国家54个机构的约400名科学家仍在研究该实验收集的大量数据。 图片来源：费米实验室
4月7日，《科学》以封面文章的形式刊发一项重要成果：美国费米实验室对撞机探测器（CDF）合作组的389位科学家，共同完成了迄今为止对W玻色子质量的最精确测量，其精度达到了前所未有的0.01%。这一令全球实验与理论物理学家们振奋和激动的结果，可能将挑战粒子物理学的“标准模型”。
中国科学院理论物理研究所研究员于江浩对此深有感慨，在他看来，比结果更重要的是，这是“实验物理学家坚持在旧的金矿中挖掘、'十年磨一剑’终于淘得的金子”。“旧的实验设备仍有获得新发现的能力和优势，只要坚持在正确的方向上，依然可以做出领先世界的成果。”
基本粒子之间存在4种基本的相互作用（引力、电磁力、强力和弱力），每种相互作用都是由某一种媒介粒子传递的，它们被称为玻色子。在标准模型里，W玻色子就是一种传递弱力的媒介粒子（W是weak<译弱>的缩写）。
基本粒子是由标准模型理论来描述的。2012年，著名的“上帝粒子”希格斯粒子被发现，标志着标准模型取得了极大的成功。“但是，标准模型不能解释什么是暗物质、什么是暗能量，也不能解释宇宙中物质与反物质的不对称。因此，它只是一定能量标度下的有效理论。也就是说必定存在更加普适的理论，这是粒子物理学所要追求的目标。”北京大学物理学院技术物理系研究员李强如此表示。因此，寻找超出标准模型预言的“新”物理现象成为众多物理学家毕生追求的目标。李强进一步解释，寻找新物理通常有“直接”和“间接”两种途径，测量W玻色子的质量属于后者。通过精确测量W玻色子质量，科学家可以以之检验标准模型的自洽性，提供揭示可能的新物理迹象的重要途径。
据于江浩介绍，W玻色子质量是标准模型的重要基本参数，W玻色子质量的精确测量本身十分有意义。W玻色子质量经常被选为标准模型理论计算的输入参数，很多物理过程的预言敏感依赖于W玻色子质量的输入值。对于基于粒子模型的可预言性而言，W玻色子质量的改变牵一发而动全身，它影响到已有物理测量的自洽性。“W玻色子质量的精确测量是间接探测新粒子的一种手段，如果对其质量测量十分精确，就可能检测到某些新粒子、新物理产生影响的信息数据。”于江浩说。
于江浩介绍说，“W玻色子的质量十分重要，因为其直接影响了原子核弱衰变，以及太阳中轻核聚变的速率。如果其质量远轻于80倍的质子质量，那么太阳的寿命就会比现在短很多，甚至可能已燃烧殆尽。”。
那么，W玻色子的质量精度是如何一步步提高的？1983年，研究人员在欧洲核子中心的SPS质子反质子对撞机上发现了W玻色子，第一次测量显示其质量为80.4GeV（10亿电子伏特）左右，误差为0.8。美国费米实验室的Tevatron质子反质子对撞机基于部分结果数据，在2012年公布结果，其误差为0.016。从上世纪90年代开始，欧洲核子中心的大型正负电子对撞机持续改进W玻色子的质量测量精度，在2013年将误差缩至0.033。2010年以来，欧洲核子中心的大型强子对撞机实验持续开展W玻色子的质量测量工作，但精度提高得并不多。
“W玻色子的质量精确测量是所有对撞机实验上的旗舰式课题, 需要对探测器、物理对象重建、软件计算、理论预言等有很深刻的理解和掌控。”李强表示。
直到近日，美国费米实验室CDF合作组分析了对撞机在2002年至2011年间第二轮运行时的所有数据，得到了W玻色子质量目前最精确的测量（80.4335 +- 0.0094 GeV），其精度达到了前所未有的0.01%。
“这是非常精确的结果。”于江浩介绍，需要对实验误差（比如丢失能量等的测量精度）进行进一步控制，同时大大降低部分子分布函数的误差等——这直接影响横向动量的分布——计算到很高的精度，这些CDF都做到了。虽然此次测量结果与2012年的测量结果相比偏离不大，但由于误差的极大压低，测量的结果比标准模型的预期结果（80.357 +- 0.006 GeV）偏离高了7个标准偏差。在粒子物理领域，通常高于5个标准偏差就意味着确信和现有理论不符合。也正是因为有这一标杆，费米实验室CDF合作组的这次实验结果让很多人激动不已。
于江浩解释说，虽然这一偏差有可能是超出标准模型的新物理引起的，但是由于这一偏差体现在W玻色子质量的高阶修正上，即使是新物理的效应也只是间接体现，尚无法直接敲定是何种新物理。此外，实验的系统误差、部分子分布函数因子化误差、非微扰的理论输入的模型依赖依然存在；标准模型的预期主要是来自于电弱整体拟合，这一理论拟合也许存在偏差。“所以虽然偏离达到7个标准偏差，对其是否是新物理的贡献仍需持谨慎态度，需要通过减小实验和理论误差以及其他实验比如LHC来进一步验证，以确定是否是由新物理导致的，并且从相关新物理的直接寻找来排除一部分可能的新物理。”
这是在一台已经拆除的仪器上作出的成果。
事实上，2011年，Tevatron实验装置在关闭后逐渐被拆除，很多实验物理学家投入到了新仪器LHC的怀抱，希望在新的金矿中淘金，只有少量实验物理学家还在整理自己的的数据。而10年之后，CDF的研究结果“一鸣惊人”，那些选择继续在旧的金矿中挖掘的物理学家终于淘得金子，真的是“十年磨一剑”。
2012年，我国科学家首先提出高能环形正负电子对撞机方案（CEPC）。环形对撞机造价较低，却能在240GeV能区达到更高的亮度，并能产生大量W、Z粒子来精确检验标准模型。因此，环形对撞机对于研究希格斯粒子与精确检验标准模型更具优势。未来，CEPC与欧洲核子中心未来环形对撞机的项目，均计划在91GeV的对撞能量（Z pole）以及W玻色子对的质量阈值附近取数，用于电弱物理的精确测量，将大大改进W玻色子质量测量精度。
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