來源：科學大院

就在昨天，美國費米實驗室的CDF項目在《Science》上發了篇文章，W玻色子質量的測量結果和標準模型預測的結果有明顯差距。

消息一出，粒子物理界炸了窩。因為這或許是十年來最重要的粒子物理進展！

這個結果意味著什么？今天，我們受權轉載知乎用戶 @子乾?的觀點。

實驗結果

2012年，歐洲核子中心的LHC的兩個合作組（ATLAS和CMS）宣布發現了希格斯粒子[1]，從此，粒子物理標準模型預言的最后一個粒子被發現。在過去的十年中，探索超出標準模型的物理顯然已經成為前沿物理的最重要的一部分。

而此次，則是美國費米國家實驗室的CDF合作組（The Collider Detector at Fermilab），對于標準模型中的基本粒子——W玻色子——的質量做了最為精確的測量，結果表明，實驗結果與理論預測有明顯的差距[2]：

此次的實驗結果

圖中一共展示了九個測量W玻色子質量的實驗，紅色的點為測量結果，穿過點的紅線代表著誤差范圍，其中最底下一行紅色的就是此次的結果。灰色的豎線是標準模型在理論中預測的質量。

可以看到，此次實驗的結果誤差非常非常小，遠遠小于過去的測量結果。最重要的是，此次的測量結果與理論預測的結果有明顯的偏離！此次的測量置信度在7個σ，一般達到5個σ就能成為發現了！

實驗的結果：

MW=80433.5±9.4MeV/c2

理論的預測：

MW,SM=80375±6MeV/c2

(其中MeV/c2是高能物理常用的單位，為了比較，電子的質量為0.5MeV/c2，而質子的質量為≈937MeV/c2)

可以看到，實驗與理論的偏差已經很大了！

W玻色子

本節說說什么是W玻色子以及相關的希格斯粒子、希格斯機制等。

我們比較熟悉電磁相互作用，任何帶有電荷的粒子（比如電子、質子）等之間會存在電磁吸引或者排斥力，而且這些粒子的（加速）運動會輻射電磁波，也就是光子。根據現代的電磁理論，也就是量子電動力學，光子是電磁相互作用的媒介粒子，電子、質子等之間的電磁力是通過交換光子實現的。

電子與電子對撞（散射過程）的費曼圖，中間交換了一個光子（的情況）

與此相似，在弱互作用中也會出現媒介粒子，但是與電磁相互作用又有不同：

光子只有一種，而弱相互作用的媒介粒子有三種（強相互作用中的媒介粒子，即膠子，一共有8種）,W+、W-以及Z三種玻色子；

光子不帶電荷，而W+、W-是帶電荷的，分別帶正電和負電；

光子沒有質量，而W+、W-?以及Z都有質量

粒子物理標準模型中的粒子

其中第3點最有意思。最開始，楊振寧和Mills嘗試把電磁相互作用中的思想，也就是規范場思想，推廣到弱相互作用中，也就是大家熟知的楊米爾斯理論，但是遇到了一個解決不了的問題：

理論中的媒介粒子（也就是規范玻色子），應該是完全沒有質量的，比如光子就是這樣的，但是弱相互作用的三個媒介粒子具有質量，而且還是很大的質量！這也是弱相互作用的距離非常小的原因。

曾經楊振寧作報告講了這個理論，而聽眾中就有泡利，然后泡利批評了楊振寧的這個想法[3]。也正是因為質量問題，最開始的時候大家并沒有重視楊米爾斯理論。

一直到了20世紀60年代，首先對稱性自發破缺被引入到了粒子物理中，然后希格斯提出了希格斯機制（其實一共有三個組分別獨立地提出了這一機制），后來溫伯格等人把這一機制應用到電弱相互作用中。

希格斯機制在理論中引入了希格斯場，希格斯場與其它場有相互作用，通過對稱性自發破缺這種機制，使得費米子（除了中微子）、W±?以及Z玻色子以及希格斯粒子自己都獲得了質量。換句話說，我們可以認為希格斯場賦予了玻色子質量。

超出標準模型的新物理

去年，費米實驗室的另一個結果也引起整個物理學界的沸騰，也是因為實驗結果與標準模型理論預測有差別（不過還沒有得到5個σ）。對于理論中的這種“錯誤”，為什么大家如此興奮呢？

因為這意味著超出標準模型的新物理！

自從十年前希格斯粒子被發現后，標準模型的框架可以說已經搭建完成了，而且也取得了非常輝煌的成就。那么下一步該怎么發展呢？

正所謂成也蕭何敗蕭何，標準模型雖然取得了很大的成功，但是還有很多事情解釋不了：

中微子質量問題：標準模型中的中微子質量是嚴格為零的，但是目前的實驗已經表明，三代中微子的質量不可能都是為零；

暗物質：天文觀測暗示了暗物質的存在，那么暗物質對應的粒子到底是什么呢？

暗能量：導致宇宙加速膨脹的暗能量來自哪里呢？

正反物質不對稱：宇宙中只有正物質，而沒有反物質（組成宏觀物體的大量反物質聚集），但是在宇宙之處，正反物質應該是等量產生的，那是什么原因導致在宇宙演化的過程中，反物質消失了呢？

希格斯粒子：雖然希格斯粒子已經被發現，但是希格斯粒子的細節還不清楚，甚至還不知道希格斯粒子是不是基本粒子都不清楚

……

再往大了說，要想統一四種相互作用，對標準模型的擴充是一定的！但是任何理論上的發展，都需要實驗作為指導。原則上來說，理論只需要做到邏輯自洽就可以，不同的理論得到的結果可以千差萬別，甚至在有的領域，可以說人手一個理論(模型)。

那么這么多的理論，到底哪一種才是我們的宇宙所遵循的規律的呢？（當然也可能每一種都不是）。這就需要實驗！否則理論就像無頭蒼蠅一樣，不知道該如何發展。

比如，大家耳熟能詳的幾種理論：

超對稱理論：每一種標準模型中的粒子都有一個對偶粒子，由于某種對稱性自發破缺，導致這些超對稱粒子的質量很大，所以還沒探測到；

圈量子引力：一種統一量子場論和引力的理論；

弦論、M理論等.……

本次W玻色子的質量與理論預言不一致，不負責任地猜測，原因很有可能是希格斯粒子，我們對希格斯粒子的性質還不夠理解。

我自己不是做新物理方向的，具體的理論不太清楚。但是，目前對于新物理理論方向的探索可以說非常多，但是最終還是需要實驗結果給定下來。

精確測量

最后還是說一點精確測量的事情。

此次是CDF的結果，但是這個探測器在2011年就已經關閉了[4]，現在的結果是CDF的科學家在這十年中從十年前的測量數據中挖掘出的！而為了達到非常高的測量精度，往往需要多年持續地收集數據！

探索新的物理，不僅僅是發現全新的物理現象，實際上，精確測量已知的物理量也是非常重要的一環。去年的μ子反常磁矩的測量結果，以及現在W玻色子質量的測量結果，都是這樣的。而縱觀物理學發展史，就發現物理學中有不少重大發現都是源于精度的提高！

或者說，源于理論與實驗的不同！

海王星的發現。人們在發現天王星之后，開始測量其運動軌道，可是，觀測了一個時期以后，卻發現天王星是一個“性格很別扭”的行星。因為別的大行星都循著科學家推算出來的軌道繞太陽運行，只有天王星有點不安分，它在繞太陽運行的時候，老是偏離它應走的路線[5]。行星之間的萬有引力會影響他們的軌道，經過仔細計算之后，推算，太陽系中還存在另一顆沒有被發現的行星，影響了天王星的運動軌跡。1846年9月23日，德國天文學家伽勒用望遠鏡看到了法國天文學家勒威耶和英國天文學家亞當斯同時獨立地用天體力學理論所算出的一個當時尚未發現的新行星，這就是海王星[5]。

海王星

對天體的精確觀測能讓我們獲得更多的信息，比如冥王星在1930年就被發現了，下圖分別拍攝于1994年和2015年，意義不言而喻！

1994年和2015年對冥王星的拍攝

水星進動。按照牛頓萬有引力定律，行星繞太陽運動軌跡是一個封閉的橢圓，不會發生變化。但是對水星運動軌跡的精確測量發現，它的軌道在逐漸變化，長軸也在緩慢的轉動，即進動現象，速率為每百年1°33′20"，然而根據牛頓理論計算得到結果為每百年1°32′37"，即使考慮了其它行星帶來的影響，理論依然與實驗不相符。這最早是在1859年被法國天文學家勒維耶發現。直到廣義相對論建立起來之后，這一現象才被很好地解釋，水星進動問題也是驗證廣義相對論的主要現象之一。

實際上，當下和未來也有許多量需要進一步的精確測量：

萬有引力常數G。對電磁相互作用我們能測得很精確（比如電子磁矩），那么引力自然地也要測得精確一點。其中萬有引力常數G是很關鍵的量，對這一量的精確測量一直在持續，但是由于萬有引力本身很弱，因此測量誤差一直很大。很多不同實驗結果也有明顯差距。相對于電磁力的精確結果，可以說，我們對萬有引力了解的很粗糙。

2000年之后部分測量的結果

（上圖[6]）

希格斯粒子。剛才已經提到，雖然我們已經發現了希格斯粒子，但是我們對希格斯粒子的了解幾乎只有“存在希格斯粒子，質量為125GeV”，它的很多細節和性質我們并不怎么了解，甚至都不知道它是不是基本粒子。作為標準模型中費米子質量的來源，我們理應對其有更進一步的認知。而這也是新物理的發展方向之一，即建造希格斯粒子工廠，精確測量希格斯性質。當然，這就需要建造新的大型對撞機，中國正在推進的CEPC就是其中之一，我想很多人對此都有了解。

位于歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC一角

最后

突然感覺，站在這樣一個時間點上，我們或許正在見證歷史。

一方面，過去百年慢慢積累、發展并完善的標準模型正在得到進一步驗證和鞏固，另一方面，超出標準模型的新物理也在慢慢被發現，雖然目前還沒有得到全面地確認，但畢竟這就是歷史的進程，我們或許就身處變革之中，我們正在一步步發現全新的宇宙。

畢竟，我們所熟知的物質，只占了宇宙總質能的5%啊！

宇宙中的成分，我們所熟知的物質之占到了宇宙總質能的5%

革命尚未成功，同志仍需努力！

參考文獻：

[1] https://home.cern/science/physics/higgs-boson

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A5%8A-%E7%B1%B3%E7%88%BE%E6%96%AF%E7%90%86%E8%AB%96

[4] https://news.fnal.gov/2011/09/tevatron-shuts-analysis-continues/

[5] abhttp://www.kepuchina.cn/2016zt/100000whys/02/201803/t20180313_557201.shtml

[6] https://www.eurekalert.org/multimedia_ml/pub/12185.php

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的W玻色子质量实验与理论矛盾，或是十年来最重要的进展的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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