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2022年4月7日，《科學》雜誌的封麵文章爆出了一條引發物理學界震動的大新聞。這篇由近400位科學家合著的論文指出，他們(men) 對W玻色子的質量進行了前所未有的高精度測量，結果發現測量值比粒子物理標準模型的預測值重了近0.1%。這一差異看似十分微小，但它在粒子物理學體(ti) 係中的含義(yi) 卻無比重大。一旦該測量值得到佐證，它或許意味著一個(ge) 全新物理學時代的到來，而人類對物質世界的認知邊界，也很可能發生革命性的突破。

（來源：《科學》官網截圖）

粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群眾(zhong) 所能理解的，它到目前為(wei) 止最大的成就之一就是建立了粒子物理的標準模型。那麽(me) ，這個(ge) 標準模型到底講了些什麽(me) ？有沒有可能用生活中的概念去嚐試理解它？如何從(cong) 粒子物理標準模型的角度來理解本次的“大新聞”？

首先我們(men) 必須承認，標準模型是人類曆史上最複雜，最難以理解的物理理論，甚至沒有之一。即便是維基百科或者百度百科中的描述，普通人也可能一個(ge) 字都看不懂。為(wei) 了讓大家都夠獲得一點可以“打包外帶”的星空体育官网入口网站，我們(men) 也隻能盡可能地以描述化、圖像化的方式來跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事兒(er) 。

粒子物理想要解決(jue) 怎樣的問題？

粒子物理學主要研究組成物質的基本粒子以及它們(men) 之間的相互作用。很多種類的射線（例如電子束、中微子束等）即便肉眼不可見，也仍然能與(yu) 其他有形或者無形的物質發生各種作用和交互，事實上隸屬於(yu) 廣義(yi) 的物質，因此同樣是粒子物理的研究範疇。

由於(yu) 許多基本粒子在自然界不能穩定存在或不單獨出現，物理學家們(men) 隻能利用高能粒子加速器讓它們(men) 相互碰撞，才能讓它們(men) 出現在觀察視野，進而研究它們(men) ，因此粒子物理學也被稱為(wei) 高能物理學。那麽(me) 問題來了，耗費巨資才能實施的粒子物理研究，科學家們(men) 到底希望從(cong) 中找到哪些答案？

兆電子伏特加速器（左）和大型強子對撞機（右）

（來源：維基百科“粒子加速器”）

粒子物理想要回答的問題主要有兩(liang) 個(ge) ，第一是物質由什麽(me) 組成，第二是物質間如何相互作用。這裏的物質包括從(cong) 宇宙星體(ti) 到原子內(nei) 部的廣大物質世界，而作用形式也包括強力、弱力、電磁力與(yu) 引力這四大基本力。

換句話說，粒子物理致力於(yu) 尋找一係列物質世界中最基本問題的答案。它可能不像很多應用科學一樣，很快就能找到與(yu) 日常生活的契合點，從(cong) 而迅速造福人類。但粒子物理決(jue) 定了人類認識客觀世界的視野邊際，實際上也決(jue) 定了人類科技水平所能達到的上限。即便看上去“沒什麽(me) 大用”，但隻有先認識規律才能利用規律。好比學習(xi) 外語，人永遠不可能說出自己從(cong) 未接觸過的單詞，探索和理解正是應用的前提。

粒子物理的標準模型是什麽(me) ？

經過物理學家100多年的努力，人類的認識水平已經深入原子核內(nei) 部，甚至將組成原子核的質子和中子又分解為(wei) 更加基本的粒子。並且，人類還發現四大基本力的作用形式其實還與(yu) 某些傳(chuan) 遞這些作用的媒介粒子有關(guan) ，例如電磁作用就與(yu) 光子關(guan) 係密切，這就好比是兩(liang) 個(ge) 不直接接觸的人通過互相拋擲小球感受到彼此的力量。

最終，科學家們(men) 通過將組成物質的粒子細分，以及尋找作用力間負責力傳(chuan) 遞的各種粒子，獲得了一個(ge) 由基本粒子構成的龐大家族，這個(ge) 家族的家譜就叫粒子物理標準模型。

標準模型的基本粒子分為(wei) 兩(liang) 大類型，分別是負責組成物質的誇克和輕子，以及負責傳(chuan) 遞相互作用的媒介子。這些基本粒子們(men) 還有各自的屬性，比如質量、電荷、自旋以及味道、顏色等等，這又導致同一個(ge) 種類的基本粒子有時候還要細分成幾種。比如共有6種味道的誇克，每味誇克又分為(wei) 3種顏色，再加上正反，一共就是36種誇克。最終，目前的標準模型中包含了61種基本粒子。

粒子物理標準模型

（來源：維基百科“標準模型”）

你一定會(hui) 覺得標準模型和你印象中的物理完全不同，印象中的物理簡潔而優(you) 雅，而標準模型卻有一種“為(wei) 賦新詞強說愁”的感覺。實際上，很多科學家最初也有這樣的困惑，如果說構建標準模型是給基本粒子們(men) 蓋房子，科學家們(men) 最開始的計劃其實是蓋個(ge) 蒙古包，結果後來發現得修四合院，後來發現房間不夠住又被迫起了小公寓，到最後不知不覺就蓋成了摩天大樓。

不過最厲害的是，雖然標準模型的建立過程是摸著石頭過河，但是目前為(wei) 止，它極好地統一了電磁力、強力和弱力，經它預言的很多新粒子也在之後陸續被人發現。這個(ge) 過程我們(men) 還是用蓋樓來比喻說明，最開始這樓怎麽(me) 搭大家都沒主意，一邊蓋一邊想。有人說這兒(er) 得多加一層，有人說這兒(er) 得留幾個(ge) 屋。最後沒想到，房間剛剛好，客人都滿意。

一直到希格斯粒子於(yu) 2012年被發現後，現行粒子物理標準模型的61個(ge) 房間都被全員入住了。在這座大廈的構築過程中，很多科學家都發揮了關(guan) 鍵作用，直接與(yu) 之相關(guan) 的諾貝爾獎得主就有數十人之多。他們(men) 或是在尋找“客人”的過程中做出了突出貢獻，例如丁肇中在實驗上率先發現了重味誇克粲誇克c；或是對“大廈的藍圖”做出了合理的意見和建議，例如希格斯通過構造希格斯機製理論上預言了希格斯玻色子。

如何用《西遊記》來類比標準模型？

如果你還是沒法理解標準模型，那麽(me) 我們(men) 就以《西遊記》為(wei) 例來做個(ge) 說明。在《西遊記》的世界中，龍王跟土地掌管山川海洋，魑魅魍魎各自為(wei) 禍一方，天庭的神仙們(men) 無憂無慮，佛祖在西方普度眾(zhong) 生，閻王爺在地底下暗戳戳苦哈哈地記著生死簿。

你要問它們(men) 之間靠啥聯係，那就是取經組的四人一馬。如果說標準模型是《西遊記》，那麽(me) 其中每種勢力都包含著若幹成員，比如各種誇克好比各自是小鑽風、白骨精、玉麵狐，合稱妖魔鬼怪；而取經四人組上通天庭下達地府，因此扮演著媒介子的角色。

“大新聞”具體(ti) 是怎麽(me) 回事？

了解了標準模型的大致圖景，我們(men) 來看看本次“震動”物理學界的重大發現。

W玻色子在標準模型中處於(yu) 非常核心的位置，自從(cong) 1983年被觀測到以來，科學家們(men) 一直在嚐試以盡可能高的精度來測定其質量。事實上，之前的各項實驗結論均取得了與(yu) 標準模型的預言吻合度很高的W玻色子質量，這也是標準模型正確性的決(jue) 定性證據之一。

但在最新的測量中，W玻色子的質量為(wei) 80433.5±9MeV（下圖右下CDF Ⅱ），而此前標準模型的預測值則為(wei) 80357MeV（圖中灰色立柱）。有趣的是，本次測量的數據推翻了2012年在同一台對撞機上獲得的結論（下圖下方藍色的CDF2012），也極大地提高了另外一次測量獲得的精度（下圖上方的CDF I）。由於(yu) 獲得了極高的精度和顯著的統計學差異，本次測量的結果可以說是爆出了粒子物理學界最近三十年來的最大發現。那麽(me) ，科學家們(men) 采用了怎樣的測量方法，該方法靠譜嗎？

通過來自不同加速器的實驗數據所測得的W玻色子質量值

（來源：《科學》雜誌）

W玻色子質量的測定絕非易事

W玻色子在高能碰撞中產(chan) 生，之後迅速衰變，在它的衰變過程中，將可能產(chan) 生電子、繆子或者反中微子等。由於(yu) 中微子無法使目前所采用的探測器發生反應，因此中微子實際的產(chan) 生量看起來無從(cong) 而知。

通常，我們(men) 可以通過測量衰變產(chan) 物的能量和動量來確定基本粒子的質量，但由於(yu) 無法直接測量W玻色子產(chan) 生的中微子產(chan) 物，上述經典方法就不適用了。

因此，科學家們(men) 采取了一種折中的方式，他們(men) 並沒有測量單個(ge) 碰撞事件中產(chan) 生的單個(ge) 粒子，而是測定整個(ge) 碰撞事件的整體(ti) 結果。即整體(ti) 上來看損失的能量和動量都應該歸因於(yu) 中微子，然後再據此反推W玻色子質量。

然而，如果對整個(ge) 碰撞事件進行測量，同樣存在一定的困難——粒子探測器無法測出非常微小的動量變化。不過科學家們(men) 有折中的辦法，他們(men) 根據碰撞後粒子的動量分布，可以計算出無法測量動量的粒子所占的比率，再據此來修正對動量的測量結果。

可見，對W玻色子質量的精確測定絕非易事，將近400位科學家耗費十年時間，才最終將這一結論公之於(yu) 眾(zhong) 。特別是考慮到實驗結論注定會(hui) 對現有理論造成強烈衝(chong) 擊，本次的論文也是在反複檢驗的基礎上才進行發表。

論文作者名單就占據了一頁紙篇幅

（來源：《科學》雜誌）

標準模型的大廈真要“塌房”了？

一位參與(yu) 該項目的研究人員對此表示，“我們(men) 用的辦法肯定沒錯.……但差異這麽(me) 大，隻能說明自然界還有點什麽(me) 新東(dong) 西，原先的標準模型沒涵蓋。”那麽(me) ，我們(men) 應該如何用蓋房子的類比來理解他的話呢？

首先，我們(men) 必須承認標準模型並不完美，它仍然有不少無法回答的問題，例如引力的本質、宇宙中的暗物質和暗能量謎團等等。這說明標準模型的大廈還有繼續擴建的必要，還有應該入住的住戶無家可歸，被關(guan) 在大廈之外，無法找到屬於(yu) 自己的房間。

粒子物理學標準模型在物理學體(ti) 係中所處的位置

（來源：維基百科“萬(wan) 有理論”）

其次，在之前的標準模型內(nei) 部，我們(men) 仍然認為(wei) 它是足夠自洽的。如同上麵所說，大廈的修築過程雖然耗費了數十年之久，但最後的結果還算完美，無論是從(cong) “61位住戶”還是“大廈結構”本身的角度來說，看起來都剛剛好，住戶與(yu) 住戶之間的相處還算和諧。

然而，本次的新發現卻提示我們(men) ，有一位“住戶”的登記信息和實際情況好像有所不符。到底是房間的設計有問題，還是存在著某些“神秘的新住戶”，我們(men) 仍然不得而知。當然，實驗結果本身出了問題，也並非不可能，目前的當務之急是利用其它加速器獲得的數據進行獨立校驗。

假如本次實驗結論的正確性得到證明，那麽(me) 標準模型理論所做出的類似預測，例如Z玻色子的質量、溫伯格角、頂誇克質量以及希格斯玻色子質量等都有進一步進行高精度驗證的必要。一旦實測數據和標準模型的理論預言確實存在普遍偏離，那麽(me) 現有的標準模型可能必須麵臨(lin) 修正。

從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上說，本次成就歸功於(yu) 粒子物理學領域在過去二三十年間進行的大量實驗，堪稱是無數科研人員的集大成之作。理論物理學家們(men) 在過去幾十年來一直期待的“新物理”，可能真的要進入人類的視野了。

（來源：Freepik.com）

參考文獻：

挑戰標準模型？最新W玻色子質量測量值高出理論7個(ge) 標準差

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

Wボソンの質量が...

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

費米實驗室W玻色子質量實驗與(yu) 理論矛盾，登《科學》封麵

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