最新 Science 封面文章，給物理學(xué)界投下了一枚重磅炸彈。來(lái)自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，一種名為 W 玻色子的粒子質(zhì)量嚴(yán)重偏離了理論預(yù)測(cè)值。而這也就意味著，此前的一系列基礎(chǔ)物理學(xué)理論可能要重新改寫(xiě)！
論文一出，物理學(xué)家們已經(jīng)炸了鍋。
布法羅大學(xué)的 Dorren Wackeroth 就對(duì) Science 表示：這種差異可能暗示著一種從未被發(fā)現(xiàn)的粒子的存在。
馬德里理論物理研究所的物理學(xué)家 Sven Heinemeyer 甚至直接說(shuō)“這將徹底改變我們看待世界的方式”。
香港科技大學(xué)物理學(xué)系助理教授王一的知乎回答可能更直觀體現(xiàn)了物理學(xué)研究者們的心情：垂死病中驚坐起，還能發(fā)現(xiàn)新物理。
這究竟是怎么一回事？
重了 0.1% 的 W 玻色子
先簡(jiǎn)單介紹一下什么是 W 玻色子。我們知道，宇宙中有四大基本相互作用：引力作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。而 W 玻色子就是一種負(fù)責(zé)傳遞弱相互作用的基本粒子，其質(zhì)量關(guān)系著弱相互作用力的強(qiáng)弱。更通俗一點(diǎn)講，W 玻色子是參與核聚變的重要粒子。
此番，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的最新論文就聚焦 W 玻色子的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行了迄今為止精度最高的測(cè)量：
科學(xué)家們對(duì) Tevatron 對(duì)撞機(jī) 2002 年至 2011 年這 10 年間產(chǎn)生的 W 玻色子數(shù)據(jù)進(jìn)行了持續(xù)分析，發(fā)現(xiàn) W 玻色子的質(zhì)量為 80,443±9.4MeV，這一結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值重了 76MeV—— 相當(dāng)于差出去了了 152 個(gè)電子的質(zhì)量。
并且，這一測(cè)量結(jié)果與理論值的偏差達(dá)到了 7 個(gè) σ。意味著統(tǒng)計(jì)偏差導(dǎo)致結(jié)果異常的概率不超過(guò) 0.000000000256%。通常來(lái)說(shuō)，5 個(gè) σ 就能算得上一項(xiàng)真正意義上的物理新發(fā)現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，在微觀領(lǐng)域取得了巨大的成功。2012 年希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有粒子都已被發(fā)現(xiàn)。
因此，別看相比于理論值只超重了小小的 0.1%，如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論能被獨(dú)立重復(fù)證實(shí)，就意味著很可能有尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子或力存在，這無(wú)疑會(huì)對(duì)現(xiàn)有的粒子物理理論體系造成沖擊。比如希格斯機(jī)制。
由于弱力是一種短程力，因此在理論上，W 玻色子是一種很重的粒子。為了解釋其質(zhì)量，科學(xué)家引入了希格斯機(jī)制：在標(biāo)準(zhǔn)模型里，假若溫度足夠高，物理系統(tǒng)的電弱對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有被打破，則所有基本粒子都不具有質(zhì)量。
當(dāng)溫度降到低于臨界溫度，希格斯場(chǎng)會(huì)變得不穩(wěn)定，會(huì)躍遷至最低能量態(tài)，即量子力學(xué)的真空，整個(gè)物理系統(tǒng)的連續(xù)對(duì)稱(chēng)性因此被自發(fā)打破，W 玻色子、Z 玻色子、費(fèi)米子也會(huì)因此獲得質(zhì)量。這里可以簡(jiǎn)單理解成，W 玻色子的質(zhì)量是希格斯機(jī)制給的。
那么一旦 W 玻色子的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型下的預(yù)測(cè)值不符，很有可能希格斯機(jī)制就是存在問(wèn)題的。而這也就意味著，背后可能存在著一個(gè)全新的物理學(xué)世界。
需要說(shuō)明的是，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的這個(gè)最新結(jié)果，與他們?cè)?2012 年公布的數(shù)據(jù)（80387±19MeV），以及歐洲核子研究中心（CERN）通過(guò) ATLAS 實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果（80370±19MeV）均不同。
這些更早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是與標(biāo)準(zhǔn)模型相符的。因此，物理學(xué)研究者們?nèi)缃穸荚谄诖龤W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能盡快驗(yàn)證最新結(jié)果。
標(biāo)準(zhǔn)模型的裂痕
事實(shí)上，這已經(jīng)不是標(biāo)準(zhǔn)模型第一次受到?jīng)_擊。就在去年 4 月，同樣是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，就在頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，稱(chēng) μ 子的磁性超出了理論預(yù)測(cè)，難以用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行解釋。這可能意味著，與 μ 子相互作用的粒子中存在至今未被發(fā)現(xiàn)的粒子，如暗物質(zhì)粒子，或超對(duì)稱(chēng)理論預(yù)言的粒子。
但除了最新 Science 封面文章，此前的“質(zhì)疑”都沒(méi)有達(dá)到粒子物理新發(fā)現(xiàn)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”——5σ。也就是說(shuō)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室給出的這個(gè)新結(jié)果，是目前科學(xué)家們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型中發(fā)現(xiàn)的最大“bug”?？偠灾?，物理學(xué)界接下來(lái)顯然有得忙了。
論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
參考鏈接：
[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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