Science封面引爆物理学界：南师易凯教授所在费米实验室CDF合作组发布W玻色子质量测量的迄今最精确结果
FUTURE | 远见 闵青云 选编
北京时间4月8日凌晨，美国费米实验室CDF国际合作组发布了W玻色子质量测量的迄今最精确结果，比粒子物理标准模型的预期值偏高七个标准偏差，该研究成果以封面文章在Science正刊上发表。南京师范大学教授易凯是CDF合作组成员之一，从1998年开始参加CDF实验至今。
论文一出，物理学家们已经炸了锅。
布法罗大学的Dorren Wackeroth就对Science表示：这种差异可能暗示着一种从未被发现的粒子的存在。
马德里理论物理研究所的物理学家Sven Heinemeyer甚至直接说「这将彻底改变我们看待世界的方式」。
香港科技大学物理学系助理教授王一的知乎回答可能更直观体现了物理学研究者们的心情：垂死病中惊坐起，还能发现新物理。
重了0.1%的W玻色子
粒子物理标准模型是描述强力、弱力及电磁力这三种基本相互作用力及组成所有物质的基本粒子的理论。W玻色子的质量是标准模型的一个重要参数，对其数值的精确测量一直是检验标准模型和探测新物理的重要手段之一。
由于W玻色子的衰变模式在实验上的困难，其测量精度（误差）一直在几十个MeV/c²量级，最好的单个实验的精度也在二十个MeV/c²左右。这与W玻色子的姐妹粒子—Z玻色子的质量精度（2 MeV/c²）形成了极大的反差。实验粒子物理工作者为此进行了长时间的不懈努力。
CDF合作组利用其Run II期间收集的所有数据，对W玻色子的质量进行了目前世界上最为精确的测量，误差（包括统计误差和系统误差）在世界上首次降低至个位数—9 MeV/c²。这一结果的精度达到了0.01%，超越了之前任何一个实验的精度，也超越了之前所有试验结果的加权综合精度，对标准模型的检验达到了一个新的里程碑。在这样的精度下，CDF合作组测量的W玻色子质量比标准模型的计算值高了七个标准偏差（包括实验和理论误差），挑战目前的标准模型。
W玻色子的质量是质子质量的80倍左右，大约8万MeV/c²。粒子物理标准模型预期W玻色子质量应为80357+/-6MeV/c²。CDF合作组的最新测量结果显示其W质量测量值为80433+/-9MeV/c²，与以往多个实验单次测量的结果一致，也与一些实验的结果不一致，还需其他实验的检验。
标准模型是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型，在微观领域取得了巨大的成功。2012年希格斯玻色子被发现后，标准模型预言的所有粒子都已被发现。
因此，别看相比于理论值只超重了小小的0.1%，如果这个实验结论能被独立重复证实，就意味着很可能有尚未被发现的粒子或力存在，这无疑会对现有的粒子物理理论体系造成冲击。
需要说明的是，费米实验室的这个最新结果，与他们在2012年公布的数据（80387±19MeV），以及欧洲核子研究中心（CERN）通过ATLAS实验得到的结果（80370±19MeV）均不同。
这些更早期的实验结论是与标准模型相符的。
因此，物理学研究者们如今都在期待欧洲大型强子对撞机能尽快验证最新结果。
关于易凯
论文作者之一易凯1998年参加CDF国际合作组，2003年在CDF实验上参加了首次验证奇特强子态X(3872)粒子的工作，2009年在CDF实验上主导了奇特强子态X(4140)及稍后的X(4274)的发现。
随后易凯领导团队在CMS实验上验证了X(4140)的存在。目前易凯是清华-南师CMS组的负责人，主要研究方向是强子物理及新物理，其研究团队在CMS实验上活跃于多个物理分析课题，并参加CMS探测器升级中的GEM、HGCal、MTD等项目。
「CDF经过长期努力才取得迄今为止最为精确的测量，这一结果如果得到别的实验的证实，对目前的标准模型是一个冲击，中国LHC各个合作组同世界上其他的研究团队一起在LHC数据中有望间接和直接找到完善标准模型的证据」，易凯评论道。
论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
参考链接：
http://www.njnu.edu.cn/info/1088/17124.htm
关于易凯：
https://news.fnal.gov/2009/03/particle-oddball-surprises-cdf-physicists-fermilab/
https://www.symmetrymagazine.org/article/november-2012/new-particle-like-structure-confirmed-at-the-lhc
--南京师范大学、量子位
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