欧洲核子研究中心的胜利：大型强子对撞机解决了W玻色子质量之谜

在一项重大的科学成就中，CMS实验以极高的精度验证了W玻色子的质量，与标准模型的预测完全一致。

利用来自数百万次粒子碰撞的数据和先进的分析技术，这项研究标志着理解宇宙基本成分的一个里程碑。

粒子物理学的突破

2022年，费米实验室（CDF）实验中的对撞机探测器对W玻色子进行了意想不到的测量，W玻色子是自然界携带力的粒子之一。现在，在大型强子对撞机上进行紧凑型介子螺线管实验的物理学家宣布了W玻色子的新质量测量结果。

这项新的测量是CMS实验的第一次，它使用了一种新技术，使其成为迄今为止对W玻色子质量进行的最详细的研究。经过近十年的分析，CMS发现W玻色子的质量与预测一致，终于解开了一个长达数年的谜团。

精密度与协作促进W玻色子研究

最后的分析使用了2016年LHC运行中收集的3亿个事件，以及40亿个模拟事件。根据这个数据集，研究小组重建并测量了超过1亿个W玻色子的质量。他们发现W玻色子的质量为80360.2±9.9兆电子伏（MeV），这与标准模型预测的80357±6兆电子伏是一致的。他们还进行了一项单独的分析，对理论假设进行了交叉检验。

“新的CMS结果是独一无二的，因为它的精度和我们确定不确定性的方式，”美国能源部费米国家研究实验室的杰出科学家、前CMS发言人帕蒂·麦克布莱德说。“我们从CDF和其他研究W玻色子质量问题的实验中学到了很多东西。我们站在他们的肩膀上，这是我们能够将这项研究向前迈出一大步的原因之一。”

揭示宇宙的亚原子平衡

自从W玻色子于1983年被发现以来，物理学家已经在10个不同的实验中测量了它的质量。

W玻色子是标准模型的基石之一，标准模型是描述自然界最基本层面的理论框架。对W玻色子质量的精确理解使科学家能够绘制出粒子和力之间的相互作用，包括希格斯场的强度以及导致放射性衰变的电磁力与弱力的合并。

“整个宇宙是一个微妙的平衡行为，”CMS实验的副发言人、费米实验室的资深科学家阿纳迪·卡内帕（Anadi Canepa）说。“如果W质量与我们预期的不同，可能有新的粒子或力在起作用。”

测量技术的进展

新的CMS测量的精确度为0.01%。这种精度水平相当于测量4英寸长的铅笔在3.9996和4.0004英寸之间。但与铅笔不同的是，W玻色子是一种基本粒子，没有物理体积，质量小于单个银原子。

“这种测量是非常困难的，”卡内帕补充说。“我们需要从多个实验中进行多次测量，以交叉验证该值。”

提高基本粒子检测的精度

CMS实验与其他实验相比是独一无二的，因为它的设计紧凑，专门用于测量被称为μ子的基本粒子的传感器，以及一个极强的螺线管磁铁，当带电粒子穿过探测器时，它会弯曲它们的轨迹。

“CMS的设计使它特别适合精确的质量测量，”麦克布莱德说。“这是下一代的实验。”

粒子测量的挑战与创新

由于大多数基本粒子的寿命都非常短，科学家们通过将它们衰变成的所有物质的质量和动量相加来测量它们的质量。这种方法对像Z玻色子这样的粒子很有效，Z玻色子是W玻色子的表亲，会衰变成两个μ子。但是W玻色子带来了一个巨大的挑战，因为它的衰变产物之一是一种微小的基本粒子，叫做中微子。

“众所周知，中微子很难测量，”参与这项分析的麻省理工学院科学家乔希·本达维德（Josh Bendavid）说。“在对撞机实验中，中微子没有被探测到，所以我们只能处理一半的图像。”

研究一半的图像意味着物理学家需要创造性。在对真实实验数据进行分析之前，科学家们首先模拟了数十亿次大型强子对撞。

“在某些情况下，我们甚至不得不模拟探测器的微小变形，”本达维德说。“精度足够高，我们关心小的扭曲和弯曲；即使它们只有人类头发的宽度那么小。”

对撞机实验的艺术和科学

物理学家还需要大量的理论输入，比如当质子碰撞时，它们内部发生了什么，W玻色子是如何产生的，以及它在衰变前是如何运动的。

“弄清楚理论输入的影响是一门真正的艺术，”麦克布莱德说。

长期致力于粒子物理研究

过去，物理学家在校准他们的理论模型时使用Z玻色子作为W玻色子的替代品。虽然这种方法有很多优点，但它也给过程增加了一层不确定性。

“Z玻色子和W玻色子是兄弟姐妹，但不是双胞胎，”加州大学洛杉矶分校的研究员、分析人员之一伊丽莎白·曼卡（elisisabetta Manca）说。“物理学家在从Z向W外推时需要做出一些假设，这些假设仍在讨论中。”

为了减少这种不确定性，CMS的研究人员开发了一种新的分析技术，只使用真实的W玻色子数据来限制理论输入。

本达维德说：“我们能够有效地做到这一点，要归功于更大的数据集，我们从早期W玻色子研究中获得的经验，以及最新的理论发展。这使我们能够从Z玻色子作为参考点中解脱出来。”

作为分析的一部分，他们还检查了来自已知粒子衰变的1亿条轨道，以重新校准CMS探测器的一大部分，直到它的精度提高一个数量级。

“这种新的精度水平将使我们能够以更高的精度处理关键测量，例如涉及W、Z和希格斯玻色子的测量，”曼卡说。

分析中最具挑战性的部分是它的时间密集性，因为它需要创建一种新的分析技术，并对CMS检测器进行令人难以置信的深入了解。

曼卡说：“我是作为一名暑期学生开始这项研究的，现在我已经是博士后的第三年了。这是一场马拉松，不是短跑。”

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