停滯100年的物理學,終于有重大突破?W玻色子超重意味著什麼?

2022年4月,美國費米加速實驗室公布了2001年到2011年十年間對W玻色子的測量數據。發現w玻色子比標準模型預言的質量,超重了將近0.1%。

這0.1%的差距說嚴重一點,可能會導致整個粒子物理學坍塌!

美國費米實驗室測量w玻色子的最新質量為80.4335Gev,正負誤差0.0094Gev

而標準模型預言的W玻色子的質量是80.357Gev,正負誤差0.006Gev。

理論預測和實驗測量的W玻色子相差只有不到0.1%,為什麼會引起物理學如此大的轟動?

在粒子物理中,sigma是預言新粒子存在與否的金標準。

如果實驗數據和理論預測相差超過5sigma,這就意味著,可能存在一種未知的粒子。

而此次費米實驗室測量的w玻色子的質量和標準模型預言的質量相差為7sigma,這就意味著可能存在一種新的未知粒子夾雜在測量過程中。

相差7sigma意味著什麼?

在實驗物理中,測量粒子的質量肯定存在誤差,只有大量重復的測量,才能獲得更多的數據,數據就越精確。

比如扔硬幣,扔100次硬幣,可能有48次正面朝上。再扔100次硬幣,可能49次正面朝上。

不斷重復實驗,會發現每扔一百次硬幣,大部分結果都是接近正反面各50次朝上的情況。

幾乎很少出現20次正面朝上的情況。如果將扔硬幣的情況列成正態分布圖,會發現最頂端代表的是正反各50次的情況。

比如,47次正面朝上和50次正面朝上的偏差是3,而標準偏差就是所有偏差值平方的平均數的平方根。一個標準偏差就是一個sigma。

在測量粒子的物理量時,偏差值是1sigma意味著,測量三次數據,只有一次和理論預測不符,機率是33%。

2sigma意味著測量22次數據,只有一次和理論預測不符,機率為4.5%,

3sigma意味著測量370次數據,只有一次與理論預測不符,機率為0.27%。

5sigma意味著測量1744278次數據,只有一次和理論不符,機率為0.00000057%

5sigma在粒子物理中是黃金標準,任何超過5sigma的數據都被視為有可能的新發現。

而此次W玻色子和理論預測相差7sigma,意味著發生機率只有萬億分之一。

這種基本上可以忽略不計的機率居然被實驗室碰到,可以排除是由于誤差導致的。所以w玻色子的質量與理論預測的不符基本上是事實。

w玻色子質量超重為什麼會顛覆粒子物理學?

在四大基本相互作用力中,只有弱力和強力在原子核內發生作用。

原子核由質子和中子構成,它們又由更小的夸克構成。中子和質子一般由三個夸克構成,這三個夸克組合成的復合粒子到底是中子還是質子,取決于夸克的種類。

兩個上夸克和一個下夸克的組合形式就是質子,而一個上夸克和兩個下夸克的組合形式就是中子。

如果一個上夸克變成下夸克,則質子就會變成中子。這種變化在學術叫「夸克味變」,而引發夸克味變的力就是弱力,W和Z玻色子就是弱力的傳播子。

所以W和Z玻色子決定了中子和質子之間的相互變換。

在2012年,希格斯機制確立之后,我們才知道W和Z玻色子的質量來源于希格斯場的激發,希格斯場不僅賦予了W和Z玻色子的質量,還賦予了其他基本粒子的質量。通過希格斯場,W玻色子和其他所有基本粒子都建立起來聯系。所以對W玻色子的質量校正,會牽一發而動全身。

目前測量W玻色子的質量有兩種方式,一種是直接測量,也就是此次費米實驗室公布的測量方式。

另一種是間接測量,也就是理論預測的測量方式。

由于W玻色子的質量很難直接測量出來,而Z玻色子的質量比較容易測量。所以一般采用間接測量的方式推導W玻色子的質量。

在弱電理論中,W玻色子和Z玻色子的質量遵守嚴格的對應關系。

W玻色子的質量和Z玻色子的質量之比等于溫伯格角。

所以只需測量Z玻色子的質量和溫伯格角就可以計算出W玻色子的質量。這就是理論計算出的W玻色子的質量。

此次W玻色子的測量數據都是10幾年前的老數據了,科學家在500萬億次碰撞中提取到400萬個有關W玻色子的數據。通過大量的分析,才得到W玻色子的精確質量。至于為什麼不在當時就分析這些數據,具體還不清楚,個人推測可能是之前分析數據的能力有所欠缺。

此次測量的W玻色子的質量在紅點區域,而理論預測在白點區域。

那問題出在哪了?

在粒子物理中,要直接測量一個粒子的質量,必須考慮到量子校正。因為所有大質量粒子的質量都會受到其他粒子的影響。W玻色子的質量自然也會受到其他粒子的影響。所以一般要采用量子校正去除這些影響。

w玻色子質量之所以會比預測的超重,要麼問題就出現在通過z玻色子和溫伯格角的間接測量方式上,要麼問題就在影響W玻色子質量的其他粒子上。

在間接測量中,Z玻色子和溫伯格角之積的測量法已經用了幾十年,十分精確,況且這種誤差是無法通過修正Z玻色子和溫伯格角來彌補的。

而在直接測量中,W玻色子的質量通常采用如圖的公式

W玻色子的質量等于沒有量子校正過的原始質量加頂夸克和希格斯玻色子的質量校正以及其他粒子的質量校正。其他粒子的影響值之所以用省略號代替,主要是它們的影響比較小。

主要影響在頂夸克和希格斯玻色子上。然而物理學家對頂夸克和希格斯玻色子的質量測量也十分精確,在這出問題的可能性不大。所以物理學家更迫切將目光投入到對W玻色子質量影響比較小的其他粒子上。

然而,添加目前已知的所有粒子的可能影響后,都無法彌補這種誤差。

所以物理學家推測,可能存在一種未知的新粒子作用其中,導致W玻色子的質量超重。

但是這只是一種可能的推測。后續還需要更多的實驗室重新測量。

如果最后確定w玻色子的質量真的超重了,那問題可能出在希格斯場上,說明希格斯機制存在重大缺陷,也或許發現了新的粒子。

個人比較期待W玻色子真的超重了,畢竟現在的標準模型還有很多問題,比如無法兼容引力子和暗物質粒子。

沒有矛盾,就沒有前進。物理學的革命往往都是在烏云中誕生的!

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論