來源：科學(xué)大院

就在昨天，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF項(xiàng)目在《Science》上發(fā)了篇文章，W玻色子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果有明顯差距。

消息一出，粒子物理界炸了窩。因?yàn)檫@或許是十年來最重要的粒子物理進(jìn)展！

這個(gè)結(jié)果意味著什么？今天，我們受權(quán)轉(zhuǎn)載知乎用戶 @子乾?的觀點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

而此次，則是美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的CDF合作組（The Collider Detector at Fermilab），對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子——W玻色子——的質(zhì)量做了最為精確的測(cè)量，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)有明顯的差距[2]：

此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中一共展示了九個(gè)測(cè)量W玻色子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，紅色的點(diǎn)為測(cè)量結(jié)果，穿過點(diǎn)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(jié)果。灰色的豎線是標(biāo)準(zhǔn)模型在理論中預(yù)測(cè)的質(zhì)量。

可以看到，此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差非常非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于過去的測(cè)量結(jié)果。最重要的是，此次的測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的結(jié)果有明顯的偏離！此次的測(cè)量置信度在7個(gè)σ，一般達(dá)到5個(gè)σ就能成為發(fā)現(xiàn)了！

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：

MW=80433.5±9.4MeV/c2

理論的預(yù)測(cè)：

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(zhì)量為0.5MeV/c2，而質(zhì)子的質(zhì)量為≈937MeV/c2)

可以看到，實(shí)驗(yàn)與理論的偏差已經(jīng)很大了！

W玻色子

本節(jié)說說什么是W玻色子以及相關(guān)的希格斯粒子、希格斯機(jī)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(zhì)子）等之間會(huì)存在電磁吸引或者排斥力，而且這些粒子的（加速）運(yùn)動(dòng)會(huì)輻射電磁波，也就是光子。根據(jù)現(xiàn)代的電磁理論，也就是量子電動(dòng)力學(xué)，光子是電磁相互作用的媒介粒子，電子、質(zhì)子等之間的電磁力是通過交換光子實(shí)現(xiàn)的。

電子與電子對(duì)撞（散射過程）的費(fèi)曼圖，中間交換了一個(gè)光子（的情況）

與此相似，在弱互作用中也會(huì)出現(xiàn)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(qiáng)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(fù)電；

光子沒有質(zhì)量，而W+、W-?以及Z都有質(zhì)量

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子

其中第3點(diǎn)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(guī)范場(chǎng)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(gè)解決不了的問題：

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

曾經(jīng)楊振寧作報(bào)告講了這個(gè)理論，而聽眾中就有泡利，然后泡利批評(píng)了楊振寧的這個(gè)想法[3]。也正是因?yàn)橘|(zhì)量問題，最開始的時(shí)候大家并沒有重視楊米爾斯理論。

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

希格斯機(jī)制在理論中引入了希格斯場(chǎng)，希格斯場(chǎng)與其它場(chǎng)有相互作用，通過對(duì)稱性自發(fā)破缺這種機(jī)制，使得費(fèi)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(zhì)量。換句話說，我們可以認(rèn)為希格斯場(chǎng)賦予了玻色子質(zhì)量。

超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理

去年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)結(jié)果也引起整個(gè)物理學(xué)界的沸騰，也是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)有差別（不過還沒有得到5個(gè)σ）。對(duì)于理論中的這種“錯(cuò)誤”，為什么大家如此興奮呢？

因?yàn)檫@意味著超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理！

自從十年前希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，標(biāo)準(zhǔn)模型的框架可以說已經(jīng)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(fā)展呢？

正所謂成也蕭何敗蕭何，標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量問題：標(biāo)準(zhǔn)模型中的中微子質(zhì)量是嚴(yán)格為零的，但是目前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，三代中微子的質(zhì)量不可能都是為零；

暗物質(zhì)：天文觀測(cè)暗示了暗物質(zhì)的存在，那么暗物質(zhì)對(duì)應(yīng)的粒子到底是什么呢？

暗能量：導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量來自哪里呢？

正反物質(zhì)不對(duì)稱：宇宙中只有正物質(zhì)，而沒有反物質(zhì)（組成宏觀物體的大量反物質(zhì)聚集），但是在宇宙之處，正反物質(zhì)應(yīng)該是等量產(chǎn)生的，那是什么原因?qū)е略谟钪嫜莼倪^程中，反物質(zhì)消失了呢？

希格斯粒子：雖然希格斯粒子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但是希格斯粒子的細(xì)節(jié)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(tǒng)一四種相互作用，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)充是一定的！但是任何理論上的發(fā)展，都需要實(shí)驗(yàn)作為指導(dǎo)。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(jié)果可以千差萬別，甚至在有的領(lǐng)域，可以說人手一個(gè)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(guī)律的呢？（當(dāng)然也可能每一種都不是）。這就需要實(shí)驗(yàn)！否則理論就像無頭蒼蠅一樣，不知道該如何發(fā)展。

比如，大家耳熟能詳?shù)膸追N理論：

超對(duì)稱理論：每一種標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子都有一個(gè)對(duì)偶粒子，由于某種對(duì)稱性自發(fā)破缺，導(dǎo)致這些超對(duì)稱粒子的質(zhì)量很大，所以還沒探測(cè)到；

圈量子引力：一種統(tǒng)一量子場(chǎng)論和引力的理論；

弦論、M理論等.……

本次W玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)言不一致，不負(fù)責(zé)任地猜測(cè)，原因很有可能是希格斯粒子，我們對(duì)希格斯粒子的性質(zhì)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果給定下來。

精確測(cè)量

最后還是說一點(diǎn)精確測(cè)量的事情。

此次是CDF的結(jié)果，但是這個(gè)探測(cè)器在2011年就已經(jīng)關(guān)閉了[4]，現(xiàn)在的結(jié)果是CDF的科學(xué)家在這十年中從十年前的測(cè)量數(shù)據(jù)中挖掘出的！而為了達(dá)到非常高的測(cè)量精度，往往需要多年持續(xù)地收集數(shù)據(jù)！

探索新的物理，不僅僅是發(fā)現(xiàn)全新的物理現(xiàn)象，實(shí)際上，精確測(cè)量已知的物理量也是非常重要的一環(huán)。去年的μ子反常磁矩的測(cè)量結(jié)果，以及現(xiàn)在W玻色子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果，都是這樣的。而縱觀物理學(xué)發(fā)展史，就發(fā)現(xiàn)物理學(xué)中有不少重大發(fā)現(xiàn)都是源于精度的提高！

或者說，源于理論與實(shí)驗(yàn)的不同！

海王星的發(fā)現(xiàn)。人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)天王星之后，開始測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌道，可是，觀測(cè)了一個(gè)時(shí)期以后，卻發(fā)現(xiàn)天王星是一個(gè)“性格很別扭”的行星。因?yàn)閯e的大行星都循著科學(xué)家推算出來的軌道繞太陽運(yùn)行，只有天王星有點(diǎn)不安分，它在繞太陽運(yùn)行的時(shí)候，老是偏離它應(yīng)走的路線[5]。行星之間的萬有引力會(huì)影響他們的軌道，經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算之后，推算，太陽系中還存在另一顆沒有被發(fā)現(xiàn)的行星，影響了天王星的運(yùn)動(dòng)軌跡。1846年9月23日，德國(guó)天文學(xué)家伽勒用望遠(yuǎn)鏡看到了法國(guó)天文學(xué)家勒威耶和英國(guó)天文學(xué)家亞當(dāng)斯同時(shí)獨(dú)立地用天體力學(xué)理論所算出的一個(gè)當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的新行星，這就是海王星[5]。

海王星

對(duì)天體的精確觀測(cè)能讓我們獲得更多的信息，比如冥王星在1930年就被發(fā)現(xiàn)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(duì)冥王星的拍攝

水星進(jìn)動(dòng)。按照牛頓萬有引力定律，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)封閉的橢圓，不會(huì)發(fā)生變化。但是對(duì)水星運(yùn)動(dòng)軌跡的精確測(cè)量發(fā)現(xiàn)，它的軌道在逐漸變化，長(zhǎng)軸也在緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，即進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，速率為每百年1°33′20"，然而根據(jù)牛頓理論計(jì)算得到結(jié)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(shí)驗(yàn)不相符。這最早是在1859年被法國(guó)天文學(xué)家勒維耶發(fā)現(xiàn)。直到廣義相對(duì)論建立起來之后，這一現(xiàn)象才被很好地解釋，水星進(jìn)動(dòng)問題也是驗(yàn)證廣義相對(duì)論的主要現(xiàn)象之一。

實(shí)際上，當(dāng)下和未來也有許多量需要進(jìn)一步的精確測(cè)量：

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

2000年之后部分測(cè)量的結(jié)果

（上圖[6]）

希格斯粒子。剛才已經(jīng)提到，雖然我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但是我們對(duì)希格斯粒子的了解幾乎只有“存在希格斯粒子，質(zhì)量為125GeV”，它的很多細(xì)節(jié)和性質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)模型中費(fèi)米子質(zhì)量的來源，我們理應(yīng)對(duì)其有更進(jìn)一步的認(rèn)知。而這也是新物理的發(fā)展方向之一，即建造希格斯粒子工廠，精確測(cè)量希格斯性質(zhì)。當(dāng)然，這就需要建造新的大型對(duì)撞機(jī)，中國(guó)正在推進(jìn)的CEPC就是其中之一，我想很多人對(duì)此都有了解。

位于歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC一角

最后

突然感覺，站在這樣一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，我們或許正在見證歷史。

一方面，過去百年慢慢積累、發(fā)展并完善的標(biāo)準(zhǔn)模型正在得到進(jìn)一步驗(yàn)證和鞏固，另一方面，超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理也在慢慢被發(fā)現(xiàn)，雖然目前還沒有得到全面地確認(rèn)，但畢竟這就是歷史的進(jìn)程，我們或許就身處變革之中，我們正在一步步發(fā)現(xiàn)全新的宇宙。

畢竟，我們所熟知的物質(zhì)，只占了宇宙總質(zhì)能的5%啊！

宇宙中的成分，我們所熟知的物質(zhì)之占到了宇宙總質(zhì)能的5%

革命尚未成功，同志仍需努力！

參考文獻(xiàn)：

[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(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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