Science封面引爆物理學界：W玻色子嚴重超重 粒子物理標準模型又裂開了

布法羅大學的Dorren Wackeroth就對Science表示：

這種差異可能暗示著一種從未被發現的粒子的存在。

馬德里理論物理研究所的物理學家Sven Heinemeyer甚至直接說“這將徹底改變我們看待世界的方式”。

香港科技大學物理學系助理教授王一的知乎回答可能更直觀體現了物理學研究者們的心情：垂死病中驚坐起，還能發現新物理……

這究竟是怎么一回事？

重了0.1%的W玻色子

先簡單介紹一下什么是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、強相互作用和弱相互作用。

而W玻色子就是一種負責傳遞弱相互作用的基本粒子，其質量關系著弱相互作用力的強弱。

更通俗一點講，W玻色子是參與核聚變的重要粒子。

此番，費米實驗室的最新論文就聚焦W玻色子的質量，對其進行了迄今為止精度最高的測量：

科學家們對Tevatron對撞機2002年至2011年這10年間產生的W玻色子數據進行了持續分析，發現W玻色子的質量為80,443±9.4MeV，這一結果比標準模型的預測值重了76MeV——相當于差出去了了152個電子的質量。

并且，這一測量結果與理論值的偏差達到了7個σ。意味著統計偏差導致結果異常的概率不超過0.000000000256%。

通常來說，5個σ就能算得上一項真正意義上的物理新發現。

標準模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，在微觀領域取得了巨大的成功。2012年希格斯玻色子被發現后，標準模型預言的所有粒子都已被發現。

因此，別看相比于理論值只超重了小小的0.1%，如果這個實驗結論能被獨立重復證實，就意味著很可能有尚未被發現的粒子或力存在，這無疑會對現有的粒子物理理論體系造成沖擊。

比如希格斯機制。

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。

為了解釋其質量，科學家引入了希格斯機制：

在標準模型里，假若溫度足夠高，物理系統的電弱對稱性沒有被打破，則所有基本粒子都不具有質量。

當溫度降到低于臨界溫度，希格斯場會變得不穩定，會躍遷至最低能量態，即量子力學的真空，整個物理系統的連續對稱性因此被自發打破，W玻色子、Z玻色子、費米子也會因此獲得質量。

這里可以簡單理解成，W玻色子的質量是希格斯機制給的。

那么一旦W玻色子的質量與標準模型下的預測值不符，很有可能希格斯機制就是存在問題的。

而這也就意味著，背后可能存在著一個全新的物理學世界。

需要說明的是，費米實驗室的這個最新結果，與他們在2012年公布的數據（80387±19MeV），以及歐洲核子研究中心（CERN）通過ATLAS實驗得到的結果（80370±19MeV）均不同。

這些更早期的實驗結論是與標準模型相符的。

因此，物理學研究者們如今都在期待歐洲大型強子對撞機能盡快驗證最新結果。

標準模型的裂痕

事實上，這已經不是標準模型第一次受到沖擊。

就在去年4月，同樣是費米實驗室，就在頂級期刊《物理評論快報》上發表實驗數據，稱μ子的磁性超出了理論預測，難以用標準模型進行解釋。

這可能意味著，與μ子相互作用的粒子中存在至今未被發現的粒子，如暗物質粒子，或超對稱理論預言的粒子。

但除了最新Science封面文章，此前的“質疑”都沒有達到粒子物理新發現的“黃金標準”——5σ。

也就是說，費米實驗室給出的這個新結果，是目前科學家們在標準模型中發現的最大“bug”。

總而言之，物理學界接下來顯然有得忙了。

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/