就在昨天,美国费米实验室的CDF项目在《Science》上发了一篇文章,W玻色子质量的测量结果和标准模型预测的结果有明显差距。消息一出,粒子物理界炸了窝。因为这或许是十年来最重要的粒子物理进展!这个结果意味着什么?今天,我们受权转载知乎用户@子乾的观点。
2012年,欧洲核子中心的LHC的两个合作组(ATLAS和CMS)宣布发现了希格斯粒子[1],从此,粒子物理标准模型预言的最后一个粒子被发现。
在过去的十年中,探索超出标准模型的物理显然已经成为前沿物理的最重要的一部分。而此次,则是美国费米国家实验室的CDF合作组(The Collider Detector at Fermilab),对于标准模型中的基本粒子——W玻色子的质量做了最为精确的测量,结果表明,实验结果与理论预测有明显的差距[2]。
图中一共展示了九个测量W玻色子质量的实验,红色的点为测量结果,穿过点的红线代表着误差范围,其中最底下一行红色的就是此次的结果。灰色的竖线是标准模型在理论中预测的质量。可以看到,此次实验的结果误差非常非常小,远远小于过去的测量结果。最重要的是,此次的测量结果与理论预测的结果有明显的偏离!此次的测量置信度在7个σ,一般达到5个σ就能成为发现了!
实验的结果:MW=80433.5±9.4MeV/c2,理论的预测:MW,SM=80375±6MeV/c2。可以看到,实验与理论的偏差已经很大了!
我们比较熟悉电磁相互作用,任何带有电荷的粒子(比如电子、质子)等之间会存在电磁吸引或者排斥力,而且这些粒子的(加速)运动会辐射电磁波,也就是光子。
根据现代的电磁理论,也就是量子电动力学,光子是电磁相互作用的媒介粒子,电子、质子等之间的电磁力是通过交换光子实现的。与此相似,在弱互作用中也会出现媒介粒子,但是与电磁相互作用又有不同:光子只有一种,而弱相互作用的媒介粒子有三种(强相互作用中的媒介粒子,即胶子,一共有8种),W+、W-以及Z三种玻色子;光子不带电荷,而W+、W-是带电荷的,分别带正电和负电;光子没有质量,而W+、W-以及Z都有质量。
去年,费米实验室的另一个结果也引起整个物理学界的沸腾,也是因为实验结果与标准模型理论预测有差别(不过还没有得到5个σ)。对于理论中的这种“错误”,为什么大家如此兴奋呢?因为这意味着超出标准模型的新物理!自从十年前希格斯粒子被发现后,标准模型的框架可以说已经搭建完成了,而且也取得了非常辉煌的成就。那么下一步该怎么发展呢?
正所谓成也萧何败萧何,标准模型虽然取得了很大的成功,但是还有很多事情解释不了:中微子质量问题:标准模型中的中微子质量是严格为零的,但是目前的实验已经表明,三代中微子的质量不可能都是为零;暗物质:天文观测暗示了暗物质的存在,那么暗物质对应的粒子到底是什么呢?暗能量:导致宇宙加速膨胀的暗能量来自哪里呢?
正反物质不对称:宇宙中只有正物质,而没有反物质(组成宏观物体的大量反物质聚集),但是在宇宙之处,正反物质应该是等量产生的,那是什么原因导致在宇宙演化的过程中,反物质消失了呢?希格斯粒子:虽然希格斯粒子已经被发现,但是希格斯粒子的细节还不清楚,甚至还不知道希格斯粒子是不是基本粒子都不清楚……再往大了说,要想统一四种相互作用,对标准模型的扩充是一定的!但是任何理论上的发展,都需要实验作为指导。
此次是CDF的结果,但是这个探测器在2011年就已经关闭了[4],现在的结果是CDF的科学家在这十年中从十年前的测量数据中挖掘出的!而为了达到非常高的测量精度,往往需要多年持续地收集数据!探索新的物理,不仅仅是发现全新的物理现象,实际上,精确测量已知的物理量也是非常重要的一环。去年的μ子反常磁矩的测量结果,以及现在W玻色子质量的测量结果,都是这样的。
而纵观物理学发展史,就发现物理学中有不少重大发现都是源于精度的提高!或者说,源于理论与实验的不同!
突然感觉,站在这样一个时间点上,我们或许正在见证历史。一方面,过去百年慢慢积累、发展并完善的标准模型正在得到进一步验证和巩固,另一方面,超出标准模型的新物理也在慢慢被发现,虽然目前还没有得到全面地确认,但毕竟这就是历史的进程,我们或许就身处变革之中,我们正在一步步发现全新的宇宙。
毕竟,我们所熟知的物质,只占了宇宙总质能的5%啊!宇宙中的成分,我们所熟知的物质之占到了宇宙总质能的5%。革命尚未成功,同志仍需努力!