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这给粒子物理学带来了一个主要问题,粒子的重量比预期的要重

我们理解宇宙的模型 基本粒子 有点像齿轮箱:任何单个粒子的属性的微小变化也会抛弃其他粒子力学。

因此,当一篇研究论文发表,发现单个基本粒子的质量与之前公认的质量略有不同时,它所做的不仅仅是让物理学界惊叹不已。 如果属实,这样的发现可能意味着潜在的物理学以尚未确定的方式“错误”,并将改变 粒子物理学 未来几十年。

我们对基本粒子的理解,即粒子物理学的标准模型,是过去 150 年来人类最伟大的成就之一。 从 1897 年电子的发现开始,到 发现 来自 2012 年有远见的希格斯玻色子。

本月早些时候,经过 20 年的分析,费米实验室对撞机探测器 (CDF) 的科学家宣布,他们对 W 玻色子的质量进行了最准确的测量。 经过数百万次实验和观察,质量测量达到1.43385738×10-22 克。 (这听起来很轻,但它比应有的要重。)

测量自然界中的一种载力粒子的精度是显着的:科学家们说,粒子的修正质量为 0.01%——是之前最佳测量精度的两倍。 结果发表在《科学》杂志上。

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但是有一个大问题:这种测量与科学家在标准模型的理论输入中使用的值相冲突。 换句话说,如果是真的,那么质量的测量将表明物理标准模型——解释宇宙中四种已知力和所有基本粒子的黄金标准理论——处于摇摇欲坠的基础上。

与夸克、电子和光子等其他基本粒子不同,W 玻色子不是通常在学校科学中学习的粒子。 然而,就像这些粒子一样,它们是宇宙中物质形成的基础。 W玻色子是所谓的“弱核力”中的信使粒子,它是粒子物理学中已知的四种基本相互作用的一部分。 其他的是电磁、强相互作用和重力。 虽然电磁力和引力对于人类相互作用和日常生活来说是正常的,而强力是将原子核结合在一起的原因,但弱相互作用并不清晰可见。 然而,弱力与原子的放射性衰变有关,并且与其他力一样,对于我们今天的宇宙看起来就像其他三种力中的任何一种一样不可或缺。 没有 W 玻色子的帮助,就不可能发生弱相互作用。

为了对 W 玻色子的质量进行新的测量,研究人员使用了来自 费米国家快速实验室, 伊利诺伊州的粒子加速器现已停止使用。 费米实验室的粒子加速器以接近光速的速度相互发射质子和反质子,并密切观察由此产生的高能粒子的爆炸,然后引出它们的特性。

在其运行过程中,加速器设法积累了 400 万个过滤玻色子,其特性被反复测量。 通过广泛的计算,科学家们确定了他们的测量结果,该测量结果精确到七个标准偏差——远高于导致黄金标准统计结果的五个标准偏差。

“我们考虑到我们对粒子探测器的改进理解以及对 W 玻色子与其他粒子相互作用的理论和实验理解的进步。当我们最终揭示结果时,我们发现它与标准模型预测不同。 “

杜克大学的 Kotwal 领导了这项分析,是 CDF 合作的 400 名科学家之一, 她说在新闻稿中。 “我们考虑到我们对粒子探测器的改进理解以及对 W 玻色子与其他粒子相互作用的理论和实验理解的进步。当我们最终揭示结果时,我们发现它与标准模型预测不同。 “

区别? 新的测量结果表明,W 玻色子的质量比之前预期和接受的质量高出约十分之一。 这听起来很小,但足以给粒子物理学带来一个巨大的问题——如果是真的。

Shum 说,对 W 玻色子质量的新测量“已经失去了烟雾枪”。

“W 玻色子的测量质量与标准模型中预期的质量不匹配这一事实可能意味着三件事。要么数学错误,要么测量错误,要么标准模型中缺少某些东西,” 他写 高能粒子物理学家约翰·康威在谈话中。

换句话说,对标准模型进行任何更改不仅会影响标准模型 – 它可能会动摇所有物理学和我们对宇宙的理解。

CDF 发言人大卫图帕克在新闻稿中说:“现在由理论物理学界和其他实验来跟进并揭开这个谜团。” “如果实验值和预期值之间的差异是由某种新的粒子或亚原子相互作用引起的,这是一种可能性,那么它很有可能在未来的实验中被发现。”

事实证明,标准模型在预测其组成粒子的性质方面非常成功,甚至是以前看不见的粒子的性质。 由于它们具有奇妙的预言性质,物理学家渴望尝试打洞,这可以产生新的发现和新的物理学。 事实上,作为 我提到了沙龙 2021 年,费米实验室的 Muon g-2 实验产生了奇怪的结果,与标准模型的预测略有不同——尽管这些结果没有超过五个标准偏差的“黄金标准”,这将使它们成为确定性的。


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但是,当谈到以很小的误差进行非常精确的测量时,一些物理学家说,也有可能是实验存在缺陷,而不是标准模型。

“准确度是不确定性的大小,准确度是潜在误差的大小,”Shum 说。 “你可以有一些非常微妙的东西,但这是非常错误的。”

“你可能会问,‘这可能是一种实验效应,一个经验误差,这可能是一个滴定来源吗?’ 嗯,这是一种可能性,”加州大学圣克鲁兹分校物理学教授、A 畅销书 在粒子物理学中,他告诉沙龙。 “如果差异 [in mass] 这是一个错误,也许是的,探测器校准很可能是这个错误的来源,所以这个错误。”

沉说重要的是要区分 健康判断请注意,可能会非常准确地执行不准确的测量。

“准确度是不确定性的大小,准确度是潜在误差的大小,”Shum 说。 “你可以有一些非常微妙的东西,但这是非常错误的。”

Shum 说,来自 CDF 的 W 玻色子质量的新测量结果“遗漏了一把烟枪”——具体来说,这是一个明确定义的原因,即来自不同实验的其他测量结果与 W 玻色子质量的 CDF 结果不一致。

“可以想象,所有其他测量都遗漏了一些东西,而 CDF 测量会更仔细地完成它并得到正确的答案,”Shum 说。 “但我认为很可能,要么 CDF 结果错误,要么另一组结果错误。”

此前,Shum 告诉沙龙,说标准模型将被完全重写或撤回是“夸张的”。

沉说:“标准模型自发明之日起,就一直被称为所谓的‘有效理论’。他将标准模型比作‘冰山一角’,冰山一角可以很好地观察到。即使我们不太清楚水下是什么,也能理解。” “我会赌上任何钱 [the Standard Model] 作为冰山一角的代表,他永远不会被推翻。”

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