物理学家们完成了一项极其困难的测量——基本粒子 W 玻色子的质量。来自欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC)的 CMS 实验的结果，与标准模型的预测相符，并给2022 年浮出水面的 W 玻色子质量异常泼了一盆冷水。该测量结果曾暗示存在超出标准模型的现象，而标准模型是物理学家对粒子和力的最佳描述。
“标准模型并未消亡，”麻省理工学院（位于剑桥）的粒子物理学家、CMS 合作组织成员乔什·本达维德在 9 月 17 日发布结果时表示。在欧洲核子研究中心（CERN，欧洲的粒子物理实验室，位于瑞士日内瓦附近，是 LHC 的所在地）举行的研讨会上宣布这一结果时，掌声雷动。CMS 的结果历时 10 年才完成，测得 W 玻色子的质量为 80,360.2 兆电子伏特，W 玻色子参与了弱核力的传递。本达维德说，如果该发现接近 2022 年的结果，我们就会宣布标准模型已死。
苏黎世大学（位于瑞士）的实验粒子物理学家弗洛伦西亚·卡内利说：“该社区将对我们能够达到如此精度并在这种程度上理解标准模型而感到兴奋。”她参与了 CMS 实验，但未参与该结果的研究。
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物理学家的宽慰
2022 年的结果由费米国家加速器实验室（位于伊利诺伊州巴达维亚）一项名为 CDF 的实验得出，该实验使用了 10 年前的数据来计算 W 玻色子比预测的更重，这开启了标准模型出现裂缝的可能性，令物理学家兴奋不已。尽管该模型非常成功，但物理学家知道它不可能完善，因为它没有解释暗物质等神秘现象。
CMS 的结果是 LHC 有史以来对 W 质量的最精确测量，其精度与 CDF 的结果大致相当。它也与 CDF 数值之前的四次测量结果一致，使该数值成为一个离群值。“它们不可能都正确，”杜克大学（位于北卡罗来纳州达勒姆）的实验粒子物理学家阿舒托什·科特瓦尔说，他领导了 CDF 研究。
加州大学洛杉矶分校的粒子物理学家伊丽莎贝塔·曼卡说：“如果我们发现一些与标准模型完全不同的东西，对于我们领域的未来来说可能会更好，因为那会令人兴奋。”她是 CMS 发现的主要分析师之一。但就对结果的信心而言，这个数值是一种“宽慰”，她说。
基本力
W 玻色子及其姊妹粒子 Z 一起参与放射性衰变，作为弱核力的载体，弱核力是自然界的四种基本力之一。它的质量是标准模型中少数几个可以通过理论高精度预测并通过实验测量的数值之一。这使其成为寻找模型裂缝的绝佳途径。“高精度可观测值不多。这就是它重要且有价值的原因，”科特瓦尔说。
但 W 质量极难测量。LHC 通过以极高能量碰撞质子来制造玻色子。这些玻色子迅速衰变成实验可以探测到的其他粒子。但对于 W 质量，一半的衰变是缺失的，因为玻色子仅转化为一个可探测的粒子——轻子，例如电子或其更重的表亲 μ 子。另一个粒子中微子直接穿出探测器，不留痕迹。
μ 子衰变
CMS 分析主要关注 μ 子衰变。曼卡说，该团队以前所未有的精度重建了来自 LHC 约 1 亿次 W 衰变中的 μ 子的特性。然后，他们将数据与 40 亿次模拟碰撞和衰变进行了比较，这些模拟碰撞和衰变使用了不同的 W 质量值——以及可能偏倚结果的数千个其他参数的不同值——并寻找最佳匹配。“匹配度最高的就是我们提取的数值，”卡内利说。
曼卡说，该团队使用了尖端的软件和理论，并使用 W 的替代测量值以及针对 Z 衰变的交叉检查来校准和交叉检查他们的结果，以确保他们的方法按预期工作。
曼卡说，CMS 的结果与来自其他 LHC 实验（ATLAS 和 LHCb）的结果大致一致，这些实验使用了不同的探测器和方法，这让该团队确信他们得到了正确的数值。
异常评估
目前尚无人能说清为何 CDF 的结果如此突出。一种可能的原因是，该探测器使用了与 CMS 不同的理论工具来生成其模拟结果。CDF 探测到来自质子-反质子加速器Tevatron（已于 2011 年关闭）的碰撞，而 LHC 仅碰撞质子。“没有哪一件事我们可以说是‘这就是结果如此不同的原因’，”曼卡说。
科特瓦尔说，他需要看到 CMS 论文（将在未来几个月内发表）才能了解该团队的方法。“人们一直在审查我们是如何做的，我们没有收到任何明确的迹象表明发现了任何缺陷。CMS 也必须进行同样的审查，”他说。
就人类对 W 质量的最佳猜测达成一致意见，将意味着汇集来自每个实验的专家以及理论家，以试图理解不同的结果。“我们不应将 CDF 结果视为离群值，我们需要了解它为何或如何在那里，”卡内利说。
尽管 CMS 没有发现异常，但为期 10 年的过程创建了允许物理学家进行其他精确测量的工具。曼卡认为，正是这种高精度比较最终将打破标准模型。
本文经许可转载，并于 2024 年 9 月 17 日首次发表。