今年早期的时候,发表在《科学》上的一篇文章表示了来自费米实验室CDF国际合作组的最新实验结果,他们以7个σ的置信度发现了粒子标准模型中W玻色子的质量与理论值严重不符。
这意味着整个希格斯机制可能存在大问题,这也预示着人类或许首次在对撞机实验中找到了超出标准模型的新物理。
W玻色子的质量问题为什么能够轰动整个物理界?
首先,这个W玻色子到底是个什么东西?
得益于杨-米尔斯理论,现如今的四大基本力除了不合群的引力外,强力、弱力和电磁力,它们三个都已经被量子场论拿下。不管是组成物质的粒子,还是物质间的相互作用,它们都可以被视作一套基本粒子囊括在一个统一的模型中,这个模型也被称为粒子物理的“标准模型”。
而W玻色子就是这些基本粒子的基本之一,W玻色子的“W”源于单词“Weak”,也就是“弱”的意思。
所以“W”玻色子承担的角色就是四大相互作用中最弱的“弱相互作用”。物质的放射性衰变,就是由这种弱相互作用产生的,不过传递弱力的不只有W玻色子,Z玻色子也会参与。
其中,和黑洞的“无毛定理”一样,标准模型对于基本粒子也限定在了质量、角动量(也就是自旋),然后还有电荷这三个基本量上。
通过标准模型,我们可以非常精确地预测出每一种基本粒子的属性值,当然也包括W玻色子。
通常情况下,所有的实验结果几乎都与这个标准模型预言的分毫不差,上一次出现与标准模型预测不一致的情况,还是年4月也是由费米实验室做的测量μ子反常磁矩的实验。
不过那次实验结果的置信度只有4.2σ,并未达到5σ的标准阈值,所以此事至今仍有待商榷。
上次的事情还没定论,费米实验室就又搞出个大新闻,这次实验测量出W玻色子的质量比标准模型预言的多了0.09%,这0.09%会不会是实验室误差导致的呢?
对此CDF团队表示放心,这次实验的精度堪称空前绝后。首先,测量方面的误差这次只有±9.4MeV,精度达到了前所未有的0.%。看看以前的那些实验结果,误差都没低于两位数的。
另外,在统计方面,上面已经提到过,置信度通常达到5σ就基本可以了,这次实验结果的置信度竟然高达7σ。这意味着结果是统计出错的可能性不到亿分之一,话虽如此,这个结果真的就毋庸置疑了吗?
说到这,不得不让人联想到年的“中微子超光速”事件。当时欧洲核子中心(CERN)对外宣布这一实验结果时,那在物理学界的震惊程度堪称大地震。设想一下,作为根基的相对论如果被打脸,整个物理学大厦恐怕是要彻底崩塌,虽然实验团队一再表示:我们真的已经考虑了各种误差和影响,相信我们吧,结果肯定没问题。甚至后来他们又做了一遍实验,结果仍然是超光速。
这时候费米实验室站了出来,“大家先不要吵,我们亲自来做次实验看看”,结果呢,就在费米实验室做前期准备工作的时候,剧情来了个度大反转,欧洲核子中心自己宣布之前的实验是个“大乌龙”。
原来是GPS和电脑连接出了问题,时间同步存在误差,从此“插头松了”便成为了实验物理中众人皆知的梗,当时这个实验结果的置信度也高达6σ。
但是就像最终的结果一样,现实中的实验会涉及到各个环节方方面面,哪怕实验本身万无一失,但在一些外围内容,例如输入参数方面,可能仍会存在问题。
打个比方,这就像用计算器算1+1,但是手误按成1+2,这时候计算器的精度再高也没有用。
再看这次的实验,费米实验室这次用到的输入数据来源于~这十年间产出的数据。
也就是说,虽然这次的实验结果是刚刚发布的,但是他们用到的数据源其实是十年前的“老数据”。
为什么呢?
因为自从欧洲核子中心的大型强子对撞机建成以来,费米实验室的这台加速器由于缺乏经费慢慢就被废弃了。从年开始,研究人员们再也没有从这里创造过任何新的实验数据,虽然没有新数据,但是之前实验留下来的原始数据还是可以利用的。
于是,研究人员从先前的万亿次的碰撞数据中提取出了上百万个W玻色子的数据。随后,经过了漫长的数据清洗和分析实验,团队这才发布了这个号称有史以来最精确的测量结果。
所以,这个事情还远没到下结论的程度。接下来,科学家们除了仔细排查各环节可能产生的错误外,更重要的就是等待其他实验团队来进行进一步的确认。
当然,对于任何物理学家来说,他们是非常希望看到结果最终被确认的。如果W玻色子的质量真的比预想的大那么多,那说明赋予其质量的希格斯机制存在着大问题而很多粒子的质量都与希格斯机制有关,可谓是牵一发动全身,以至于整个标准模型可能都要大改,原本我们只是知道现有理论框架有问题。
但是又说不出具体哪儿有问题,现在我们没准可以找到那个不足之处,甚至是从中发现今后物理学的新方向,如此一来,这也意味着我们距离世界的真相又近了一步。