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    精度達前所未有的0.01%--W玻色子質量:新物理隱藏在精確測量中

    文章來源: 發布時間: 2022-04-11 【字體:      

      費米實驗室的對撞機探測器記錄了1985年至2011年間由Tevatron對撞機產生的高能粒子碰撞情況。來自23個國家54個機構的約400名科學家仍在研究該實驗收集的大量數據。圖片來源:費米實驗室 

      ■本報記者 韓揚眉 

      4月7日,《科學》以封面文章的形式刊發一項重要成果:美國費米實驗室對撞機探測器(CDF)合作組的389位科學家,共同完成了迄今為止對W玻色子質量的最精確測量,其精度達到了前所未有的0.01%。

      這一令全球實驗與理論物理學家們振奮和激動的結果,可能將挑戰粒子物理學的“標準模型”。

      在中國科學院理論物理研究所研究員于江浩看來,比結果更重要的是,這是“實驗物理學家堅持在舊的金礦中挖掘、‘十年磨一劍’終于淘得的金子”?!芭f的實驗設備仍有獲得新發現的能力和優勢,只要堅持在正確的方向上,依然可以做出領先世界的成果?!庇诮聘嬖V《中國科學報》。

      標準模型之上的追求 

      基本粒子之間存在4種基本的相互作用:引力、電磁力、強力和弱力,每種相互作用都是由某一種媒介粒子傳遞的,它們被稱為玻色子。在標準模型里,W玻色子就是一種傳遞弱力的媒介粒子。這里的W就是weak(弱)的縮寫。

      2012年,著名的“上帝粒子”希格斯粒子的發現,標志著標準模型取得了極大的成功。標準模型也被稱為粒子物理學的基本理論模型。

      “但是,標準模型不能解釋什么是暗物質、什么是暗能量,也不能解釋宇宙中物質與反物質的不對稱。因此,它只是一定能量標度下的有效理論,也就是說必定存在更加普適的理論,這是粒子物理學所要追求的目標?!北本┐髮W物理學院技術物理系研究員李強告訴《中國科學報》。

      也因此,尋找超出標準模型預言的“新”物理現象成為眾多物理學家畢生追求的目標。

      李強進一步解釋,尋找新物理通常有“直接”和“間接”兩種途徑,測量W玻色子的質量屬于后者。通過精確測量W玻色子質量,科學家可以以之檢驗標準模型的自洽性,提供揭示可能的新物理跡象的重要途徑。

      于江浩介紹,W玻色子質量是標準模型的重要基本參數,W玻色子質量的精確測量本身十分有意義。W玻色子質量經常被選為標準模型理論計算的輸入參數,很多物理過程的預言敏感依賴于W玻色子質量的輸入值?;诹W游锢順藴誓P偷母叨瓤深A言性,W玻色子質量的改變牽一發而動全身,會影響到已有物理測量的自洽性。

      “W玻色子質量的精確測量是間接探測新粒子的一種手段,如果對其質量測量十分精確,就可能檢測到某些新粒子、新物理產生的影響?!庇诮普f。

      “最精確的測量” 

      “我們知道,W玻色子的質量十分重要,因為其直接影響了原子核弱衰變,以及太陽中輕核聚變的速率。如果其質量遠輕于80倍的質子質量,那么太陽的壽命就會比現在短很多,甚至可能已燃燒殆盡?!庇诮票硎?。

      W玻色子的質量精度是如何一步步提高的?

      1983年,研究人員在歐洲核子中心的SPS質子反質子對撞機上發現了W玻色子,第一次測量顯示其質量為80.4GeV(10億電子伏特)左右,誤差為0.8。美國費米實驗室的Tevatron質子反質子對撞機基于部分結果數據,在2012年公布結果,誤差為0.016。從上世紀90年代開始,歐洲核子中心的大型正負電子對撞機持續改進W玻色子的質量測量精度,在2013年將誤差縮至0.033。2010年以來,歐洲核子中心的大型強子對撞機實驗持續開展W玻色子的質量測量工作,但精度提高得并不多。

      “W玻色子的質量精確測量是所有對撞機實驗上的旗艦式課題, 需要對探測器、物理對象重建、軟件計算、理論預言等有很深刻的理解和掌控?!崩顝姳硎?。

      直到近日,美國費米實驗室CDF合作組分析了對撞機在2002年至2011年間第二輪運行時的所有數據,得到了W玻色子質量目前最精確的測量(80.4335 +- 0.0094 GeV),其精度達到了前所未有的0.01%。

      “這是非常精確的結果?!庇诮平榻B,需要對實驗誤差(比如丟失能量等的測量精度)進行進一步控制,同時大大降低部分子分布函數的誤差等——這直接影響橫向動量的分布——計算到很高的精度,這些CDF都做到了。

      于江浩進一步表示,雖然此次測量結果與2012年的測量結果相比偏離不大,但是由于誤差的極大壓低,測量的結果比標準模型的預期結果(80.357 +- 0.006 GeV)偏離高了7個標準偏差。

      “在粒子物理領域,通常高于5個標準偏差就意味著確信和現有理論不符合,這是這個實驗結果讓很多人激動的原因?!庇诮普f。

      偏差是如何產生的? 

      于江浩說,這一偏差有可能是超出標準模型的新物理引起的,但是由于這一偏差體現在W玻色子質量的高階修正上,新物理的效應只是間接體現,因此無法直接敲定是何種新物理。此外,實驗的系統誤差、部分子分布函數因子化誤差、非微擾的理論輸入的模型依賴依然存在;標準模型的預期主要是來自于電弱整體擬合,這一理論擬合也許存在偏差。

      “所以雖然偏離達到7個標準偏差,對其是否是新物理的貢獻仍需持謹慎態度,需要通過減小實驗和理論誤差以及其他實驗比如LHC來進一步驗證,以確定是否是由新物理導致的,并且從相關新物理的直接尋找來排除一部分可能的新物理?!庇诮票硎?。

      “舊礦”淘得真“金子” 

      這是在一臺已經拆除的儀器上作出的成果。

      事實上,2011年,Tevatron實驗裝置在關閉后逐漸被拆除,很多實驗物理學家投入到了新儀器LHC的懷抱,希望在新的金礦中淘金。

      于江浩曾于2012年訪問費米實驗室,參觀了即將拆解的實驗裝置。他問道,“CDF實驗組成員還剩多少?”“很大一部分都去做LHC物理的分析了,只有少量實驗物理學家還在整理目前的數據?!辟M米實驗室科研人員有些“悲壯”地告訴他。

      而10年之后,CDF的研究結果“一鳴驚人”。這也讓于江浩意識到,還是有一部分物理學家選擇繼續在舊的金礦中挖掘,終于淘得金子,真的是“十年磨一劍”。這種堅持,連同實驗和理論物理學家緊密無私合作的科學精神,都非常值得學習。

      目前,我國也有一些科學家在LHC和未來對撞機的多玻色子物理研究上作出了一系列重要的原創性貢獻。

      李強介紹,2012年,我國科學家首先提出高能環形正負電子對撞機方案(CEPC)。環形對撞機造價較低,卻能在240GeV能區達到更高的亮度,并能產生大量W、Z粒子來精確檢驗標準模型。因此,環形對撞機對于研究希格斯粒子與精確檢驗標準模型更具優勢。

      未來,CEPC與歐洲核子中心未來環形對撞機的項目,均計劃在91GeV的對撞能量(Z pole)以及W玻色子對的質量閾值附近取數,用于電弱物理的精確測量,將大大改進W玻色子質量測量精度。

      “我希望自己能堅持在一個領域做到極致?!庇诮埔恢庇浀弥鸚玻色子理論研究工作者、美國密歇根州立大學教授袁簡鵬告訴他的話——“一個理論家等到退休的時候,一定要能留下比較堅實的工作,而不應該一直盲目追逐熱點?!?/font>

      相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.abk1781 

    《中國科學報》 (2022-04-11 第1版 要聞)

    https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/4/368925.shtm

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