精度达前所未有的0.01%--W玻色子质量：新物理隐藏在精确测量中
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撞情况。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
■本报记者 韩扬眉
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”。
在中国科学院理论物理研究所研究员于江浩看来，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。”于江浩告诉《中国科学报》。
标准模型之上的追求
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。这里的W就是weak（弱）的缩写。
2012年，著名的“上帝粒子”希格斯粒子的发现，标志着标准模型取得了极大的成功。标准模型也被称为粒子物理学的基本理论模型。
“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告诉《中国科学报》。
也因此，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。
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。基于粒子物理标准模型的高度可预言性，W玻色子质量的改变牵一发而动全身，会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、新物理产生的影响。”于江浩说。
“最精确的测量”
“我们知道，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。”于江浩表示。
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，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。
于江浩进一步表示，虽然此次测量结果与2012年的测量结果相比偏离不大，但是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，这是这个实验结果让很多人激动的原因。”于江浩说。
偏差是如何产生的？
于江浩说，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，新物理的效应只是间接体现，因此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。”于江浩表示。
“旧矿”淘得真“金子”
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。
于江浩曾于2012年访问费米实验室，参观了即将拆解的实验装置。他问道，“CDF实验组成员还剩多少？”“很大一部分都去做LHC物理的分析了，只有少量实验物理学家还在整理目前的数据。”费米实验室科研人员有些“悲壮”地告诉他。
而10年之后，CDF的研究结果“一鸣惊人”。这也让于江浩意识到，还是有一部分物理学家选择继续在旧的金矿中挖掘，终于淘得金子，真的是“十年磨一剑”。这种坚持，连同实验和理论物理学家紧密无私合作的科学精神，都非常值得学习。
目前，我国也有一些科学家在LHC和未来对撞机的多玻色子物理研究上作出了一系列重要的原创性贡献。
李强介绍，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。
“我希望自己能坚持在一个领域做到极致。”于江浩一直记得著名W玻色子理论研究工作者、美国密歇根州立大学教授袁简鹏告诉他的话——“一个理论家等到退休的时候，一定要能留下比较坚实的工作，而不应该一直盲目追逐热点。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abk1781
