粒子物理学研究什么？ W玻色子最新质量测量结果挑战标准模型？

粒子物理云课堂

张昊

中国科学院高能物理研究所副研究员，博士生导师，研究领域包括量子场论、粒子物理理论、希格斯物理、顶夸克物理、超出标准模型的新物理、对撞机唯象学以及粒子物理中的暗物质等。北京大学高能物理研究中心李政道青年学者。中国科学院大学岗位教师，教授本科生粒子物理学基础、研究生量子场论等课程，获中国科学院大学2020年校级“研究生优秀课程”。 

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微观世界神秘莫测，从亚原子粒子的发现，到“上帝粒子”神秘面纱的揭开，都离不来粒子物理学。这门学科研究组成物质世界的基本单元以及这些基本单元如何构成我们的世界，提升人类对微观物质和宏观宇宙的认知；这门学科带来的技术与我们息息相关，从WWW到核磁共振成像都离不开粒子物理学的发展。粒子物理学究竟研究哪些内容？中科院高能所副研究员、中国科学院大学青年教师张昊《书说粒子》，由浅入深带你了解这门学科及其背后的故事。

粒子物理前沿进展

最新的W玻色子质量测量结果预示着新物理？

梁志均

费米实验室发布W玻色子的质量的精确测量

北京时间2022 年 4 月 8日凌晨，美国费米国家加速器实验室公布Tevatron质子-反质子对撞机CDF实验组对W玻色子质量的最新测量结果，并在《Science》杂志上正式发表。在新结果中，CDF合作组利用完整的CDF II数据测量得到W玻色子质量为80433.5 ±9.4 MeV。该测量实现了前所未有的实验精度，超过百万分之120，比之前的实验测量精度提高了两倍[1]。在如此高的精度 下，CDF实验对W玻色子质量的测量值比理论预测值高出7倍标准偏差[1]。

图1：CDF II数据测量最新的W玻色子质量与以前的实验测量和标准模型理论预测值对比。
 

《Science》杂志评论：“这可能是新相互作用或新粒子的特征，这些粒子要么因为质量太重而无法产生，要么太难在现有的加速器上检测到。”[2]
 

W粒子质量反常意味着新物理?

W玻色子是弱相互作用的传递子，它的质量是粒子物理标准模型电弱物理中的最关键的观测量之一。在标准模型中，W玻色子质量的高阶修正项包含了其他粒子与W玻色子的相互作用（如希格斯玻色子）。如果有新粒子与W玻色子发生新的未知相互作用，会使W玻色子的质量偏离标准模型的预测值。一些新物理模型预测的新物理能标要比当前对撞机能量高，是无法在实验上被直接探测到的，因而，只能通过与W玻色子的相互作用和W玻色子质量的精确测量来间接检测。

W粒子质量测量实验的未来计划

图2：《Science》杂志封面故事图片

《Science》杂志评论道：CDF实验最新结果为标准模型关键参数的实验测量注入了新的动力。Tevatron上D0实验也可能重新加入W玻色子质量测量的竞争，分析大型强子对撞机上已收集的的实验数据也有望得到更高测量精度。粒子物理未来对撞机项目提案中，中国粒子物理学家所提出的高能环形正负电子对撞机（CEPC）和欧洲核子中心提出的未来环形对撞机（FCC-ee）都预期能把目前W玻色子质量的测量精度提高10倍[2]。届时，将有望确定目前W玻色子的质量测量值偏离预测值是否由新物理引起，并可能揭示出寻找超出标准模型的新物理的重要性质。

参考文献：
[1] CDF COLLABORATION, High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector, SCIENCE, 376,(2022) 170
[2] CLAUDIO CAMPAGNARI and MARTIJN MULDERS, An upset to the standard model, SCIENCE, 376,(2022) 136

作者介绍：

梁志均

中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员， 博士生导师。研究领域为粒子物理实验。参与欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS实验和我国下一代高能环形对撞机（CEPC）的物理研究，以及硅探测器的研制。曾担任ATLAS合作组电弱物理组召集人与大型强子对撞机电弱物理组召集人。

文章来源：《现代物理知识杂志》微信公众号

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