在粒子物理学中，数据比产生它的探测器寿命更长。十年前，重达4100公吨的费米实验室碰撞探测器（CDF）寿终正寝并被关闭，其部件被拆除用于其他实验。现在，对旧CDF数据的一项新分析揭示了一个惊人的差异，即基本粒子W玻色子的质量差异，这可能为尚未发现的新粒子和相互作用指明方向。
W玻色子质量巨大，大约是质子的80倍。至关重要的是，W玻色子负责某些形式的放射性衰变，允许中子转化为质子。由于其质量受到标准模型（粒子物理学家关于基本粒子及其行为的理论）中许多其他粒子和参数的约束（并且自身也约束着它们），W玻色子已成为研究人员的目标，他们试图了解他们最好的理论在何处以及如何失效。
尽管物理学家长期以来都知道W玻色子的近似质量，但他们仍然不完全清楚。然而，将数据代入标准模型框架预测，所谓的W质量应为80,357兆电子伏特（MeV），正负误差为6 MeV。（一个MeV大约是单个电子所含质量能量的两倍。）但在周四发表在《科学》杂志上的一项新分析中，CDF合作组织的物理学家反而发现W玻色子的质量为80,433.5 ± 9.4 MeV。这项新测量比以往所有测量的精度都高，比标准模型的预测高出近77 MeV。尽管这些数字仅相差约千分之一，但每个数字的不确定性都非常小，以至于即使是这种微小的偏差也具有巨大的统计意义——它极不可能仅仅是偶然产生的幻觉。看来，经过充分研究的W玻色子仍然掌握着关于亚原子世界运作方式的许多秘密——或者至少是我们研究它的方式的秘密。粒子物理学家们措手不及，才刚刚开始认真思考其影响。
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“没有人预料到这种差异，”日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的实验物理学家马丁·穆尔德斯说，他没有参与这项新研究，但与人合写了《科学》杂志上的一篇评论。“这非常出乎意料。你几乎感到被背叛了，因为突然之间他们锯掉了真正支撑粒子物理学整个结构的一条腿。”
寻找夸克
正是对W玻色子质量的粗略测量，使得物理学家在1990年能够在顶夸克首次被观测到五年前合理准确地预测出顶夸克的质量。然后，利用W玻色子质量和顶夸克质量，研究人员对希格斯玻色子做出了类似的预测——这在2012年得到了惊人的证实。最近，进行此类测量的物理学家们较少关注改进标准模型的核心能力，而更多关注探测其缺陷——例如，它没有纳入引力、暗物质、中微子质量或许多其他棘手现象。物理学家们说，探究标准模型失效或以其他方式偏离观测结果的地方，是寻找“新物理学”的最佳方法之一，“新物理学”是他们用来指代寻找宇宙的额外、可能更基本的组成部分的统称。在CDF结果出来之前，标准模型最令人关注的一些差异包括费米实验室Muon g-2实验中研究的异常现象以及欧洲核子研究中心LHCb（大型强子对撞机beauty）实验的结果。
小的异常现象比比皆是，绝大多数仅仅是统计波动，这些波动来自于典型的粒子物理实验产生和记录的极其大量的亚原子事件。在这些情况下，随着收集到更多的数据，这些异常现象会逐渐消失。然而，最新的异常现象似乎更有希望，因为已经有大量关于W玻色子质量的预先存在的高质量信息，而且粒子质量的理论预测具有非常低的不确定性。而且，也许最重要的是，CDF合作组织非常谨慎。该实验是“盲法”的，以最大限度地减少人为偏见的风险，这意味着分析其数据的物理学家在其工作完成之前一直对结果一无所知。当2020年11月向团队成员揭示CDF测量的W质量值时，“当时一片震惊的沉默，”该研究的通讯作者阿舒托什·科特瓦尔说。“意识到那个揭盲的数字意味着什么——当然，那是纯金。”
从那时起，结果又经过了多轮同行评审——但这只能保证物理学家们已经完成了他们的功课，而不是他们已经发现了新的物理学。
挖掘数据
为了测量W玻色子的质量，首先必须建造一台粒子对撞机。万亿电子伏特加速器（Tevatron）于1983年至2011年运行，是一个3.9英里（6.3公里）的环形结构，质子与反质子在其中碰撞，能量高达约两万亿电子伏特（TeV）——约为W玻色子质量的25倍。CDF实验位于环形结构沿线，从2002年到万亿电子伏特加速器关闭，一直在这些碰撞中寻找W玻色子的迹象。
但是人们不能简单地观察W玻色子；它衰变成其他粒子的速度太快，以至于无法在任何探测器中记录下来。相反，物理学家必须通过研究这些衰变产物——主要是电子和μ子——来推断它的存在和性质。通过仔细计数，CDF团队在实验数据中发现了约四百万个可归因于W玻色子衰变的事件。通过测量这些事件的电子和μ子在CDF探测器中沉积的能量，物理学家们反向推算出了W玻色子最初拥有的能量——或质量。
科特瓦尔说，这项工作花费了十年时间，因为数据中存在许多不确定性。为了达到其前所未有的精度水平——是之前ATLAS合作组织对W玻色子质量进行的最佳单次实验测量的两倍——CDF团队将数据集扩大了四倍，并使用了新技术。这些技术包括模拟质子和反质子碰撞，以及对退役探测器的运行怪癖进行新的、更彻底的检查——甚至使用旧的宇宙射线数据将其布局精确到微米级。
这足以将研究人员的异常结果提升到惊人的统计显著性高度：在统计学上，接近七个西格玛。七个西格玛意味着，如果没有任何新的物理学影响W玻色子，那么至少像观测到的那样大的差异仍然会纯粹出于偶然性而出现，频率为每8000亿次实验运行一次。即使在粒子物理学界，天文数字是常态，但这几乎显得有些过分：该领域统计显著性的“黄金标准”阈值仅为五个西格玛，这对应于给定效应每350万次运行中偶然出现一次。至关重要的是，CDF团队新测量的七西格玛值并不意味着该结果有99.999999999%的可能性是新的物理学。它甚至不意味着其他W质量的测量是错误的。相反，七西格玛的结果意味着CDF合作组织所看到的一切都不是偶然的。这是一个进一步探究的呼吁，而不是结论。
侦探工作
为了确定异常现象的来源，需要其他实验的佐证。“这是一个非常壮观的结果，”ATLAS的物理协调员纪尧姆·乌纳尔说，他没有参与这项新研究。“这是一个非常复杂和具有挑战性的测量，它对于真正以良好的精度探测标准模型也非常重要。”ATLAS目前正在努力改进其W质量的测量，乌纳尔表示，使用LHC第二次运行（于2018年结束）的数据可能使他们能够接近CDF的精度。
与此同时，理论家们将抓住这一新结果，提出无数可能的解释。尽管LHC已经排除了超对称（SUSY）的许多排列组合——超对称是一组理论，假设基本粒子具有“超粒子”伙伴——但可能略微改变W玻色子质量的一个罪魁祸首是一群相对较轻的超对称粒子。
“当然，[LHC的限制]正变得越来越严格，”波兰科学院尼古拉斯·哥白尼天文中心的理论物理学家马尼马拉·查克拉博蒂说，她不是CDF合作组织的成员。“但是，您仍然可以找到SUSY的允许参数空间区域。”
在新对撞机正在被提议，LHC在进行大规模检修后准备启动另一轮碰撞之际，来自一项早已消失、探测器已被拆卸的实验的七西格玛量级异常现象的宣布可能看起来很奇怪。
但合作组织继续开会，评估和改进实验运行的成果。“侦探工作本身就是让我们坚持下去的原因，”科特瓦尔说。“线索都在那里……这就像夏洛克·福尔摩斯。人可能已经走了，但脚印还在。”