奇怪的! W玻色子的测量与物理标准模型不匹配

十年前,物理学家想知道在欧洲大型强子对撞机上发现希格斯玻色子是否会指向超越宇宙的新前沿。 亚原子粒子的标准模型. 到目前为止,情况并非如此——但在不同的粒子对撞机上对不同种类的玻色子进行新的测量可能会起到作用。

这是新发现的结果 费米实验室的对撞机探测器或 CDF,这是在伊利诺伊州的美国能源部费米实验室利用 Tevatron 粒子对撞机的主要实验之一。 现在还不是扔掉物理教科书的时候,但世界各地的科学家都在为 CDF 团队新报告的 W 玻色子质量值而摸不着头脑。


玻色子是在物质粒子之间传递离散能量的载力粒子。 为了 example,电磁力由称为光子的玻色子携带,而希格斯玻色子负责传递赋予粒子质量的力。

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W玻色子在 弱核力,它在放射性衰变和核聚变中发挥作用——使太阳发光的过程。 该粒子是几十年前在欧洲欧洲核子研究中心研究中心发现的,该中心现在是大型强子对撞机的所在地,从那时起它的质量一直是研究的主题。

粗略地说,W 玻色子比质子重约 80 倍。 但对于物理学家来说,“粗略地说”还不够好。 知道 W 玻色子的精确重量是一件大事,因为该值已被纳入标准模型的精细调整方程中,标准模型是科学中最成功的理论之一。 该理论解释了原子是怎样组合在一起的——它的预测,包括对希格斯玻色子存在的预测,已经被反复证实。

然而,有很多标准模型没有解释。 一些大事件与暗物质和暗能量的性质有关,它们共同构成了宇宙 95% 以上的内容。 如果有一些与标准模型背道而驰的测量,那可能意味着修改理论的机会。

这就是 CDF 的发现, 发表在上周的《科学》杂志上,进来吧:物理学家分析了 1985 年至 2011 年间在 Tevatron 收集的大量数据,并提出了精度为 0.01% 的质量测量。 这比以前的最佳测量精度高出一倍。 费米实验室说,这就像测量一只 800 磅大猩猩的重量到 1.5 盎司以内。

唯一的问题是,这只重 800 磅的大猩猩似乎超重了四分之三磅。 W 玻色子质量的预期值为 80,357 兆电子伏特或 MeV,正负 6 MeV。 CDF 的值为 80,433 MeV,正负 9 MeV。

“这是一个惊喜,”牛津大学的克里斯海斯,CDF 团队的成员, 在新闻稿中说.

CDF 研究人员表示,他们的发现具有 7 sigma 的置信水平,这意味着它们有 3900 亿分之一的机会可以被解释为统计侥幸。

如果研究结果成立,理论物理学家将不得不将他们的火力转向找出怎样解释这种差异。 可能有各种各样的挥手将过于庞大的玻色子与从暗物质和暗能量到暗物质等奇怪现象联系起来。 超对称性和尚未发现的新粒子阵列.

但这还为时过早。 尽管统计分析听起来令人印象深刻,但仍有可能出现一些问题。 情况就是这样 2011 年声称中微子可以比光速传播. 当这些发现首次公布时,研究人员声称其置信水平几乎与 CDF 团队现在声称的一样高。 但经过审查,研究人员发现他们的实验装置存在故障,包括 未连接的光纤电缆. 那些比光速还快的中微子实际上 不是.

费米实验室副主任乔·莱肯(Joe Lykken)表示,仅 CDF 的发现不足以迫使人们对标准模型进行全面重新思考。 “虽然这是一个有趣的结果,但测量结果需要通过另一个实验来确认,然后才能完全解释,”他说。

CDF 的联合发言人、德克萨斯 A&M 大学的物理学家 David Toback 表示,新报告的发现代表了对标准模型的宝贵检验,无论它们最终是否得到证实。

“现在要靠理论物理学界和其他实验来跟进这一点,揭开这个谜团,”他说。 “如果实验值和预期值之间的差异是由于某种新的粒子或亚原子相互作用造成的,这是一种可能性,那么它很有可能在未来的实验中被发现。”

看看这个 Twitter 用于知情推测的线程 杜伦大学物理学家马丁鲍尔 关于超重 W 玻色子对标准模型的意义:

好问题! 让我们假设效果是真实的,而不是由于分析(或 SM 预测)中的一些系统性错误。 就新物理学而言,这实际上意味着什么?

(猜测警告)1/17 ? https://t.co/u6axpiHFsg

——马丁鲍尔(@martinmbauer) 2022 年 4 月 8 日

这是首次发布的报告的更新版本 宇宙日志.

主要图片:费米实验室的对撞机探测器,在这张图片中看到它正在被拆除,记录了 1985 年至 2011 年的高能粒子碰撞。(来源: 通过欧洲核子研究中心的费米实验室)