Science 封面引爆物理学界:W 玻色子严重超重,粒子物理标准模型又裂开了

量子位 2022/4/8 14:17:22 责编:潇公子

最新 Science 封面文章,给物理学界投下了一枚重磅炸弹。来自费米实验室的实验结果显示,一种名为 W 玻色子的粒子质量严重偏离了理论预测值。而这也就意味着,此前的一系列基础物理学理论可能要重新改写!

论文一出,物理学家们已经炸了锅。

布法罗大学的 Dorren Wackeroth 就对 Science 表示:这种差异可能暗示着一种从未被发现的粒子的存在。

马德里理论物理研究所的物理学家 Sven Heinemeyer 甚至直接说“这将彻底改变我们看待世界的方式”。

香港科技大学物理学系助理教授王一的知乎回答可能更直观体现了物理学研究者们的心情:垂死病中惊坐起,还能发现新物理。

这究竟是怎么一回事?

重了 0.1% 的 W 玻色子

先简单介绍一下什么是 W 玻色子。我们知道,宇宙中有四大基本相互作用:引力作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。而 W 玻色子就是一种负责传递弱相互作用的基本粒子,其质量关系着弱相互作用力的强弱。更通俗一点讲,W 玻色子是参与核聚变的重要粒子。

此番,费米实验室的最新论文就聚焦 W 玻色子的质量,对其进行了迄今为止精度最高的测量:

科学家们对 Tevatron 对撞机 2002 年至 2011 年这 10 年间产生的 W 玻色子数据进行了持续分析,发现 W 玻色子的质量为 80,443±9.4MeV,这一结果比标准模型的预测值重了 76MeV—— 相当于差出去了了 152 个电子的质量。

并且,这一测量结果与理论值的偏差达到了 7 个 σ。意味着统计偏差导致结果异常的概率不超过 0.000000000256%。通常来说,5 个 σ 就能算得上一项真正意义上的物理新发现。

标准模型是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型,在微观领域取得了巨大的成功。2012 年希格斯玻色子被发现后,标准模型预言的所有粒子都已被发现。

因此,别看相比于理论值只超重了小小的 0.1%,如果这个实验结论能被独立重复证实,就意味着很可能有尚未被发现的粒子或力存在,这无疑会对现有的粒子物理理论体系造成冲击。比如希格斯机制。

由于弱力是一种短程力,因此在理论上,W 玻色子是一种很重的粒子。为了解释其质量,科学家引入了希格斯机制:在标准模型里,假若温度足够高,物理系统的电弱对称性没有被打破,则所有基本粒子都不具有质量。

当温度降到低于临界温度,希格斯场会变得不稳定,会跃迁至最低能量态,即量子力学的真空,整个物理系统的连续对称性因此被自发打破,W 玻色子、Z 玻色子、费米子也会因此获得质量。这里可以简单理解成,W 玻色子的质量是希格斯机制给的。

那么一旦 W 玻色子的质量与标准模型下的预测值不符,很有可能希格斯机制就是存在问题的。而这也就意味着,背后可能存在着一个全新的物理学世界。

需要说明的是,费米实验室的这个最新结果,与他们在 2012 年公布的数据(80387±19MeV),以及欧洲核子研究中心(CERN)通过 ATLAS 实验得到的结果(80370±19MeV)均不同。

这些更早期的实验结论是与标准模型相符的。因此,物理学研究者们如今都在期待欧洲大型强子对撞机能尽快验证最新结果。

标准模型的裂痕

事实上,这已经不是标准模型第一次受到冲击。就在去年 4 月,同样是费米实验室,就在顶级期刊《物理评论快报》上发表实验数据,称 μ 子的磁性超出了理论预测,难以用标准模型进行解释。这可能意味着,与 μ 子相互作用的粒子中存在至今未被发现的粒子,如暗物质粒子,或超对称理论预言的粒子。

但除了最新 Science 封面文章,此前的“质疑”都没有达到粒子物理新发现的“黄金标准”——5σ。也就是说,费米实验室给出的这个新结果,是目前科学家们在标准模型中发现的最大“bug”。总而言之,物理学界接下来显然有得忙了。

论文地址:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

参考链接:

[1]https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

[2]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/

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关键词:物理玻色子模型粒子

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