科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

當(dāng)基本粒子的質(zhì)量測(cè)量結(jié)果偏離理論預(yù)測(cè)時(shí)，往往可能動(dòng)搖現(xiàn)有理論體系。不過(guò)，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上一項(xiàng)最新的高精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，W玻色子的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型重新達(dá)成一致，為基礎(chǔ)理論提供了重要支持。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

W玻色子是傳遞弱相互作用的基本粒子之一，而弱相互作用是自然界四種基本作用力之一。這種作用力使粒子能夠發(fā)生“身份轉(zhuǎn)換”，例如質(zhì)子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱粗嗳弧Ｕ沁@種轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)了放射性衰變，也使得為太陽(yáng)提供能量的核聚變反應(yīng)成為可能。

此次研究中，由美國(guó)麻省理工學(xué)院參與的緊湊繆子線圈探測(cè)器（CMS）國(guó)際合作組，對(duì)LHC在2016年產(chǎn)生的超過(guò)10億次質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。對(duì)撞機(jī)運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子碰撞的頻率高達(dá)每25納秒一次。研究團(tuán)隊(duì)從這一年產(chǎn)生的數(shù)十億次碰撞中，篩選出約1億次涉及壽命極短的W玻色子的事件，并通過(guò)分析其衰變產(chǎn)物來(lái)反推出該粒子的質(zhì)量。

由于W玻色子的壽命極短，僅約10-24秒，無(wú)法被直接觀測(cè)。它通常會(huì)迅速衰變?yōu)橐粋€(gè)繆子（μ子）和一個(gè)中微子。其中，中微子幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，難以被探測(cè)，因此科學(xué)家只能通過(guò)精確測(cè)量μ子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并結(jié)合理論模型推算W玻色子的質(zhì)量。

研究團(tuán)隊(duì)利用LHC上的CMS，對(duì)W玻色子衰變產(chǎn)生的μ子能量和動(dòng)量進(jìn)行高精度測(cè)量。由于帶電μ子在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)沿彎曲軌跡運(yùn)動(dòng)，據(jù)此可推算其動(dòng)量，并還原粒子碰撞信息。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了約40億個(gè)模擬碰撞事件，并與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

最終，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)得W玻色子的質(zhì)量為80360.2±9.9兆電子伏（MeV），這一結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)測(cè)相符。

值得注意的是，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室CDF實(shí)驗(yàn)組，在2022年曾公布過(guò)一項(xiàng)精度極高的W玻色子質(zhì)量測(cè)量結(jié)果，其數(shù)值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，一度引發(fā)物理學(xué)界對(duì)“新物理”的廣泛討論，例如是否存在尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子或相互作用機(jī)制。

而此次CMS實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅具有與CDF測(cè)量相當(dāng)?shù)木龋遗c標(biāo)準(zhǔn)模型及其他多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，這使得科學(xué)界普遍認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型依然是描述基本粒子及其相互作用的可靠理論框架。