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十年来最重要物理发现:颠覆标准模型,实验仪器却已被拆

2022-04-12 09:37     来源:环球科学    

费米实验室的撞机探测器,它在2011年已经被关闭。图片来源:Fermilab

标准模型是现代物理学的基石,W玻色子则是其中的一种基本粒子。北京时间4月8日,《科学》以封面文章的形式发表了美国费米实验室的最新成果,他们用的数据来自一台十年前就被停用的加速器,却实现了当今最精确的测量精度。如果他们的结果是对的,那么很可能意味着我们能发现标准模型之外的新物理。但在那之前,人们最需要搞清楚的,是为何此次结论与其他实验的不一样。

过去60年间,粒子物理学中的标准模型(Standard Model,SM)被视为物理学中最成功的模型。数不清的粒子加速器实验,仿佛都在不断验证着标准模型的预言。2012年,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家用大型强子对撞机(LHC)证明了希格斯玻色子的存在,为标准模型拼上了最后一块拼图。

不过,这并不意味着标准模型是完美的。它无法解释宇宙中存在的暗物质、暗能量,无法解释为什么我们今天的宇宙中物质比反物质多,无法在将引力纳入自己的框架。其实,物理学家就算不纠结这几朵连片的物理学“乌云”,仅仅是在测量结果的小数点后多填几位数字,只要测量结果和理论预测的不一致,就可能带来新物理。

一朵新的乌云

北京时间4月8日,《科学》以封面文章的形式发表了美国费米实验室(Fermilab)最新的研究成果:研究人员利用撞机探测器(Collider Detector at Fermilab,CDF)的数据,发现W玻色子的质量比标准模型预测的更重,达到了80433.5±9.4 MeV/c2(根据质能公式E=mc2,MeV/c2是质量单位)。标准模型理论预测质量应该为80357±6 MeV/c2,大约为质子质量的80倍,虽然实验结果只比理论预测多了77 MeV/c2,但是实验精度更高,和理论预测存在7倍标准差的偏差。这可能是粒子物理学领域自10年前发现希格斯玻色子以来,最重要的结果。香港科技大学物理系助理教授王一在知乎上惊呼:“垂死病中惊坐起,还能发现新物理(”

W玻色子是标准模型预言的17种基本粒子中重要的一种。标准模型包含6种夸克,6种轻子(其中有3种中微子),四种规范玻色子和剩下的一种标量玻色子——希格斯玻色子。依照人类目前的探测能力,这些就是我们能探索到的最基本的粒子。W玻色子是四种规范玻色子中的一种,它和Z玻色子一起,负责传递弱相互作用。弱相互作用是四种基本相互作用之一,它主导了β衰变,可以让中子衰变为一个质子和一个电子。β衰变在太阳核心的碳氮氧循环,是太阳持续燃烧的推手。

标准模型。图片来源:Wikipedia

W玻色子带有一个正电荷或一个负电荷,但是我们不可能像测其他粒子的质量一样用质谱仪来测量它的质量——它的寿命太短了,半衰期仅有3×10-25秒,这也是弱相互作用范围短于质子直径的原因。(相应的,光子寿命很长,所以电磁相互作用范围也很大)

W玻色子衰变产物可能是一个电子、或者是一个µ子,同时会伴随产生一个中微子。根据动量守恒和能量守恒,物理学家可以通过衰变产生的电子/µ子和中微子的能量、动量计算W玻色子的质量。电子/µ子带电,会在磁场中偏转,物理学家可以根据其轨迹分析其能量。但众所周知,中微子几乎不会和任何其他物质反应,物理学家难以确定电子/µ子的能量占原先W玻色子的比重,也就难以确定W玻色子的质量。所以,物理学家需要使用加速器,尽可能多地粉碎粒子来生产W玻色子,尽可能多地重复测量,用海量数据提升W玻色子质量计算结果的准确度。

CDF探测器中的计算机示意图。W玻色子衰变为正电子(左下角洋红色块)和看不见的中微子(黄色箭头)。图片来源:Fermilab

这就是万亿电子伏特加速器(Tevatron)上的撞机探测器(CDF)的使命。Tevatron加速器周长6千米,曾经是世界上最强的加速器。在本篇论文中,研究团队分析了2002年到2011年间的数据。实验期间,Tevatron加速器能加速对撞质子和反质子,对撞质心能量达到了1.96 TeV。长达9年的实验中,CDF在这种对撞在探测到了大约400万个W玻色子。在十余年的数据处理后,CDF团队终于实现了有史以来人类对W玻色子质量最精确的测量,精确度达到了9 MeV/c2左右。先前最精确的测量结果是LHC上的超环面仪器(ATLAS)得出的,精确度在19 MeV/c2左右。

费米实验室鸟瞰图,图中两个圆环都是Tevatron加速器的组成部分。现在Tevatron加速器已经停用,其中部分设施已被拆除。图片来源:Fermilab

极高的精确度让实验结果的置信度达到了7倍标准差。在粒子物理学领域,一般将5倍标准差及以上的置信度定义为发现的标准。因为一旦实验置信度达到了5倍标准差,就表明实验结果只有大约两百万分之一的可能是随机产生的。不过粒子物理学实验不乏耗资甚巨的大型实验,人们不可能轻易重复大型实验仪器多年来统计得出的结果,4倍、有时甚至是3倍的标准差都能引发人们讨论的欲望。而此次实验置信度达到了惊人的7倍标准差,表明结果只有大约四千亿分之一概率是偶然随机造成的——一般而言,人们会将这种概率称为不可能。

无法再现的结果

如果标准模型出错了,那么超重的W玻色子可能是标准模型之外新物理存在的信号,或许是新的基本相互作用、或许是新的粒子。CDF团队在论文中表示,可能是超对称贡献了W玻色子额外的质量,超对称是一种可能统一所有基本相互作用的物理学模型,目前科学家还没有找到它的证据。

不过,虽然费米实验室的CDF团队给出的精确度非常高,实验结果却和其他实验不一致,比如LHC的ATLAS测量就表明W玻色子质量符合标准模型的预测。非常规的结论需要非常规的证据,面对CDF的成果,现在物理学家最需要的,其实是其他实验的独立验证。英国物理学家米卡·维斯特林(Mika Vesterinen)表示,LHC的ATLAS和LHCb都正在测量W玻色子的质量,未来几年内,它们都应该能证明CDF的成果——当然,也可能证伪。

此次CDF团队测量结果(CDF Ⅱ)和其他实验测量结果(如ATLAS)并不一致,中间灰色条带为标准模型预言的W玻色子质量范围。图片来源:SCIENCE • 7 Apr 2022 • Vol 376, Issue 6589 • pp. 170-176

虽然CDF的成果是大量科学家十余年工作成果的结晶,但有些错误终究难以排除。比如2011年,探测中微子振荡的OPERA实验组就宣布他们测得的中微子速度超越了真空中的光速。最终,在接近一年的细致排查后,OPERA实验组发现这是由一个光纤接口不牢固导致的。但是,CDF团队却没有重头再来仔细排查实验设置的机会了。因为他们做实验用的Tevatron加速器已经在2011年因为缺乏经费关闭。

当年的罪魁祸首。图片来源:G. Sirri/INFN BOLOGNA

2011年,Tevatron加速器结束了第二轮运行后,并没有准备进行第三次运行。反而,它因为缺乏经费被关闭,并在随后的几年中逐渐被拆除,部分拆下的设备被移交给其他实验使用。CDF合作组2012年时在《物理评论快报》上发布了初步分析结果,那时他们从数据中提取了大约100万个W玻色子。从那时起到现在的十余年里,CDF合作组没有获得任何新的实验数据。十年过去,他们成功将粒子轨迹的分辨率从150微米提升到30微米,同时又从数据中提取了300万个W玻色子,最终大幅提升了测量的准确性,完成了迄今为止最精确的W玻色子测量——精确度达到了117ppm(ppm表示每百万分之一)。

几年内,现有的实验结果就能证明或证伪CDF合作组的成果。在更远的未来,CERN计划中的未来环形对撞机(FCC-ee)将能达到更高的测量精度,灵敏度将能达到7ppm。

阴雨天的狂欢

不过,就算已经强调过实验结果还需要其他实验的独立验证,这并不能抵挡理论专家探讨的热情。毕竟现在的情况是,物理学大厦的根基和费米实验室的地下电缆总有一个是松的,理论专家不可能放过这个机会。今日的arXiv可谓喧嚣,一个周末过去,大家纷纷把自己整理的猜想公布在预印本网站上交流。就好像上周五晚上出了什么八卦,周一上班时同事之间火热地交流了起来。

今天的arXiv热闹非凡。W-boson为W玻色子,new physics为新物理。

不过,随着近年来测量精度的提高,除了此次CDF的结果之外,科学家的确发现了越来越多不符合标准模型预测的现象。比如去年3月CERN的LHCb实验就表明标准模型中的轻子味普适性(lepton flavour universality,LFU)可能被违背,当时的实验置信度达到了3.1倍标准差。实验负责人米特舍·帕特尔(Mitesh Patel)博士表示这是“他在物理学领域这20年来最令人兴奋的发现”。巧合的是,同样是去年4月8日,费米实验室的缪子g-2实验发现缪子磁矩和标准模型的预测存在4.2倍标准差的偏离。那次论文发表在《物理评论快报》杂志,而这次,论文发表在《科学》杂志。如果物理学有天气,那4月一定是阴雨天——“乌云”实在是太多了。

对物理学家而言,这当然是好事。毕竟,如果精度不断提高的实验总是在证明前人理论的正确(比如总是被证明正确的爱因斯坦),虽然可以说明前人的理论非常伟大,但也说明我们现在的理论水平也没有太大的进步空间。毕竟,科学就是在一次又一次的证明与证伪之间逐渐前进的。



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