W玻色子質(zhì)量迄今最精確測量完成

經(jīng)過10年的仔細分析和審查，美國能源部費米國家加速器實驗室對撞機探測器（CDF）合作項目的科學家7日宣布，他們實現(xiàn)了迄今為止對W玻色子質(zhì)量的最精確測量，W玻色子是自然界的載力粒子之一。利用費米實驗室CDF收集的數(shù)據(jù)，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)以0.01%的精度確定了粒子的質(zhì)量，這是以前最佳測量值的兩倍。

發(fā)表在《科學》雜志上的新精確測量值，將使科學家能夠測試粒子物理學的標準模型，這是從最基本層面描述自然的理論框架。測量結(jié)果是，新的質(zhì)量值顯示了科學家在標準模型的背景下使用實驗和理論輸入獲得的值之間的差異。

如果確認，此測量結(jié)果表明可能需要改進標準模型計算或擴展模型。新測量值與之前的許多W玻色子質(zhì)量測量值一致，但也存在一些差異，未來的測量將需要更多地闡明結(jié)果。

費米實驗室副主任喬·萊肯說：“雖然這是一個有趣的結(jié)果，但測量結(jié)果需要通過另一個實驗來確認，然后才能完全解釋。”

W玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子，它負責使太陽發(fā)光和粒子衰變的核過程。利用費米實驗室的Tevatron對撞機產(chǎn)生的高能粒子碰撞，CDF合作項目收集了1985年至2011年間包含W玻色子的大量數(shù)據(jù)。

W玻色子的質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量的80倍，或大約80000MeV/c2。20多年來，CDF研究人員一直致力于實現(xiàn)對W玻色子質(zhì)量越來越精確的測量。最新質(zhì)量測量的中心值和不確定度為80433±9MeV/c2。該結(jié)果使用了從費米實驗室Tevatron對撞機收集的整個數(shù)據(jù)集。它基于對420萬個W玻色子者的觀察，大約是2012年發(fā)布的合作分析中使用的數(shù)量的4倍。

“過去40年來，許多對撞機實驗都對W玻色子質(zhì)量進行了測量。”意大利國家核物理研究所的CDF聯(lián)合發(fā)言人喬治·基亞雷利說，“這些都是具有挑戰(zhàn)性的、復(fù)雜的測量，而且它們已經(jīng)達到了很高的精度。我們花了很多年的時間來完成所有的細節(jié)和必要的檢查。這是我們迄今為止最可靠的測量，測量值和預(yù)期值之間的差異仍然存在。”

研究人員還將他們的結(jié)果與使用標準模型對W玻色子質(zhì)量的預(yù)期最佳值80357±6MeV/c2進行了比較。該值基于復(fù)雜的標準模型計算，該計算將W玻色子的質(zhì)量與其他兩個粒子的質(zhì)量的測量值錯綜復(fù)雜地聯(lián)系起來：1995年在費米實驗室Tevatron對撞機中發(fā)現(xiàn)的頂夸克和2012年在歐洲核子研究中心大型強子對撞機中發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。

總編輯圈點

CDF項目歷經(jīng)了許多年，精確的測量值其實一直隱藏在分析儀中，直到項目得到全面審查，科學家才將這個驚喜結(jié)果帶到世人面前。這一結(jié)果對測試標準模型的準確性作出了重要貢獻，理論物理學界和其他實驗也都將跟進并繼續(xù)闡明這個問題，如果實驗值和預(yù)期值之間的差異真的是由于某種新的粒子或亞原子相互作用造成的，那么它終歸有一天會被發(fā)現(xiàn)。