停滯100年的物理學(xué)，終于有重大突破？W玻色子超重意味著什么？

2022年4月，美國(guó)費(fèi)米加速實(shí)驗(yàn)室公布了2001年到2011年十年間對(duì)W玻色子的測(cè)量數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)w玻色子比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的質(zhì)量，超重了將近0.1%。

這0.1%的差距說(shuō)嚴(yán)重一點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)粒子物理學(xué)坍塌！

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室測(cè)量w玻色子的最新質(zhì)量為80.4335Gev，正負(fù)誤差0.0094Gev

而標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的W玻色子的質(zhì)量是80.357Gev，正負(fù)誤差0.006Gev。

理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的W玻色子相差只有不到0.1%，為什么會(huì)引起物理學(xué)如此大的轟動(dòng)？

在粒子物理中，sigma是預(yù)言新粒子存在與否的金標(biāo)準(zhǔn)。

如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測(cè)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的w玻色子的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的質(zhì)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(cè)量過程中。

相差7sigma意味著什么？

在實(shí)驗(yàn)物理中，測(cè)量粒子的質(zhì)量肯定存在誤差，只有大量重復(fù)的測(cè)量，才能獲得更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(fù)實(shí)驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)每扔一百次硬幣，大部分結(jié)果都是接近正反面各50次朝上的情況。

幾乎很少出現(xiàn)20次正面朝上的情況。如果將扔硬幣的情況列成正態(tài)分布圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)偏差就是所有偏差值平方的平均數(shù)的平方根。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差就是一個(gè)sigma。

在測(cè)量粒子的物理量時(shí)，偏差值是1sigma意味著，測(cè)量三次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測(cè)不符，概率是33%。

2sigma意味著測(cè)量22次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測(cè)不符，概率為4.5%，

3sigma意味著測(cè)量370次數(shù)據(jù)，只有一次與理論預(yù)測(cè)不符，概率為0.27%。

5sigma意味著測(cè)量1744278次數(shù)據(jù)，只有一次和理論不符，概率為0.00000057%

5sigma在粒子物理中是黃金標(biāo)準(zhǔn)，任何超過5sigma的數(shù)據(jù)都被視為有可能的新發(fā)現(xiàn)。

而此次W玻色子和理論預(yù)測(cè)相差7sigma，意味著發(fā)生概率只有萬(wàn)億分之一。

這種基本上可以忽略不計(jì)的概率居然被實(shí)驗(yàn)室碰到，可以排除是由于誤差導(dǎo)致的。所以w玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)測(cè)的不符基本上是事實(shí)。

w玻色子質(zhì)量超重為什么會(huì)顛覆粒子物理學(xué)？

在四大基本相互作用力中，只有弱力和強(qiáng)力在原子核內(nèi)發(fā)生作用。

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，它們又由更小的夸克構(gòu)成。中子和質(zhì)子一般由三個(gè)夸克構(gòu)成，這三個(gè)夸克組合成的復(fù)合粒子到底是中子還是質(zhì)子，取決于夸克的種類。

兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克的組合形式就是質(zhì)子，而一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克的組合形式就是中子。

如果一個(gè)上夸克變成下夸克，則質(zhì)子就會(huì)變成中子。這種變化在學(xué)術(shù)叫“夸克味變”，而引發(fā)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(zhì)子之間的相互變換。

在2012年，希格斯機(jī)制確立之后，我們才知道W和Z玻色子的質(zhì)量來(lái)源于希格斯場(chǎng)的激發(fā)，希格斯場(chǎng)不僅賦予了W和Z玻色子的質(zhì)量，還賦予了其他基本粒子的質(zhì)量。通過希格斯場(chǎng)，W玻色子和其他所有基本粒子都建立起來(lái)聯(lián)系。所以對(duì)W玻色子的質(zhì)量校正，會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身。

目前測(cè)量W玻色子的質(zhì)量有兩種方式，一種是直接測(cè)量，也就是此次費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的測(cè)量方式。

另一種是間接測(cè)量，也就是理論預(yù)測(cè)的測(cè)量方式。

由于W玻色子的質(zhì)量很難直接測(cè)量出來(lái)，而Z玻色子的質(zhì)量比較容易測(cè)量。所以一般采用間接測(cè)量的方式推導(dǎo)W玻色子的質(zhì)量。

在弱電理論中，W玻色子和Z玻色子的質(zhì)量遵守嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

W玻色子的質(zhì)量和Z玻色子的質(zhì)量之比等于溫伯格角。

所以只需測(cè)量Z玻色子的質(zhì)量和溫伯格角就可以計(jì)算出W玻色子的質(zhì)量。這就是理論計(jì)算出的W玻色子的質(zhì)量。

此次W玻色子的測(cè)量數(shù)據(jù)都是10幾年前的老數(shù)據(jù)了，科學(xué)家在500萬(wàn)億次碰撞中提取到400萬(wàn)個(gè)有關(guān)W玻色子的數(shù)據(jù)。通過大量的分析，才得到W玻色子的精確質(zhì)量。至于為什么不在當(dāng)時(shí)就分析這些數(shù)據(jù)，具體還不清楚，個(gè)人推測(cè)可能是之前分析數(shù)據(jù)的能力有所欠缺。

此次測(cè)量的W玻色子的質(zhì)量在紅點(diǎn)區(qū)域，而理論預(yù)測(cè)在白點(diǎn)區(qū)域。

那問題出在哪了？

在粒子物理中，要直接測(cè)量一個(gè)粒子的質(zhì)量，必須考慮到量子校正。因?yàn)樗写筚|(zhì)量粒子的質(zhì)量都會(huì)受到其他粒子的影響。W玻色子的質(zhì)量自然也會(huì)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(zhì)量之所以會(huì)比預(yù)測(cè)的超重，要么問題就出現(xiàn)在通過z玻色子和溫伯格角的間接測(cè)量方式上，要么問題就在影響W玻色子質(zhì)量的其他粒子上。

在間接測(cè)量中，Z玻色子和溫伯格角之積的測(cè)量法已經(jīng)用了幾十年，十分精確，況且這種誤差是無(wú)法通過修正Z玻色子和溫伯格角來(lái)彌補(bǔ)的。

而在直接測(cè)量中，W玻色子的質(zhì)量通常采用如圖的公式

W玻色子的質(zhì)量等于沒有量子校正過的原始質(zhì)量加頂夸克和希格斯玻色子的質(zhì)量校正以及其他粒子的質(zhì)量校正。其他粒子的影響值之所以用省略號(hào)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(xué)家對(duì)頂夸克和希格斯玻色子的質(zhì)量測(cè)量也十分精確，在這出問題的可能性不大。所以物理學(xué)家更迫切將目光投入到對(duì)W玻色子質(zhì)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(wú)法彌補(bǔ)這種誤差。

所以物理學(xué)家推測(cè)，可能存在一種未知的新粒子作用其中，導(dǎo)致W玻色子的質(zhì)量超重。

但是這只是一種可能的推測(cè)。后續(xù)還需要更多的實(shí)驗(yàn)室重新測(cè)量。

如果最后確定w玻色子的質(zhì)量真的超重了，那問題可能出在希格斯場(chǎng)上，說(shuō)明希格斯機(jī)制存在重大缺陷，也或許發(fā)現(xiàn)了新的粒子。

個(gè)人比較期待W玻色子真的超重了，畢竟現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)模型還有很多問題，比如無(wú)法兼容引力子和暗物質(zhì)粒子。

沒有矛盾，就沒有前進(jìn)。物理學(xué)的革命往往都是在烏云中誕生的！