W玻色子反常超重，新物理还是双部分子散射？

文 |张睿、张镇

W玻色子超重之谜，是困扰科学家多年的重大物理谜题。它一度被视为叩开新物理大门的关键钥匙。最近中国科学院高能物理研究所的张镇副研究员团队为这个谜题的解答提供了一个出人意料却又合情合理的思路。相关成果在国际主流期刊《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics）正式发表，航天八院张睿博士是论文第一作者，张睿和张镇是论文通讯作者。这项研究表明：导致W玻色子超重的，可能是一个长期潜伏在对撞机复杂强子环境中的隐形干扰，即双部分子散射（DPS）。这是一种纯粹的量子色动力学（QCD）效应，不仅成功消除了W玻色子质量与标准模型预期之间的偏差，有效地解释了两大顶级对撞机Tevatron与LHC之间的数据分歧，还指出了检验双部分子散射的有效手段，更明确给出了可供当下实验直接检验的理论预言。这不仅是一次对已有物理的深度挖掘，更是对精确测量边界的一次重要拓展。

图1：双部分子散射示意

超重，标准模型的危机？

在粒子物理学家的“宇宙拼图”里，有一套被称为“标准模型”的终极说明书。它能解释世间万物由什么构成、如何运作。这套理论历经百般考验，近乎完美，但偏偏在一个细节上，出了岔子。

这个细节，就是W玻色子的质量。

W玻色子是微观世界里，唯一掌握着粒子变身魔法的关键钥匙，可以改变与之作用的基本粒子类型。它是宇宙中弱相互作用力的信使和载体。作为基本粒子，W玻色子非常重，极不稳定，转瞬即逝。然而，它却又以惊人的频率穿梭于大千世界中：从太阳核心的核聚变、到宇宙重元素的合成、再到放射性元素的衰变，处处都有着它的身影。正因如此，关于它质量的任何丝毫偏差，都如同蝴蝶效应般，深刻牵动着现实世界的方方面面。

事实上，W玻色子的质量不仅是电弱统一理论的绝对基石，也是检验标准模型的重要砝码。准确称出它的重量，是检验标准模型是否可靠、寻找新物理的关键。然而，当物理学家们真的去称量时，却在不同的秤上，得出了两个截然不同的答案。

困扰物理学家多年的称重风波

美国费米国家加速器实验室的科研团队在对撞机Tevatron上经过多年测量，于2022年宣布W玻色子的质量是80359.1±5.2 MeV，相关结果发表在《科学》杂志上。在粒子物理领域，标准偏差是衡量这个信号有多“真实”的标尺。只有当信号的显著性超过5倍标准偏差时，物理学家才会排除巧合的可能，正式确认一项新发现。W玻色子质量的这个测量值比标准模型的预言明显要重，偏差达到了惊人的6.9倍标准偏差，这在物理学界通常意味着“发现了新物理”的明确信号。

但在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上，另一个团队用更强大的设备再次测量，得出的结果却和标准模型预言几乎一致，与Tevatron对撞机上的测量值之间也存在5.4倍标准偏差的不一致，相关结果于2026年正式发表在《自然》杂志上。

同一套理论，同一个粒子，为什么在不同的秤上，称出来不一样重？这就好比日内瓦和芝加哥的电子秤，称同一个砝码，却报出两个不同的斤两。这不正常。

寻找强子对撞实验中的隐形干扰

一开始，物理学家们兴奋地猜测，这肯定是新物理在作祟，比如某种未知的粒子或作用力，干扰了测量结果。

但高能所的研究团队却提出了另一种思路：真相或许没那么科幻，它可能源于对撞机实验本身的一个隐形干扰。

他们锁定的干扰对象，叫做 “双部分子散射” ，简称DPS，这是一种纯QCD效应。

在W玻色子质量反常仅仅提出两个月后，即2022年6月，物理学家们就在LHC中发现了DPS的确凿踪迹。这种时间上的紧密衔接，或许是偶然的巧合，但随之在物理学家心中种下了一个疑问：DPS效应是否会在更广泛的物理过程中得到交叉检验？它又是否会以我们尚未察觉的方式，深刻影响着其他物理现象的底层逻辑？

要理解DPS，需要先来看看对撞机是怎么工作的。在Tevatron或LHC里，强子（包括质子与反质子）以接近光速对撞。通常，假设每次碰撞是一对一的，即一个强子里的一个“部分子”（夸克或胶子）撞上了另一个强子里的一个“部分子”。

但DPS效应告诉我们，现实更热闹：一次对撞中，可能同时有两对部分子撞在了一起，并伴随产生了较硬的QCD辐射。

这就好比你在打电话时，线路里突然串进了另一对通话。那第二对交谈产生的噪音干扰（即额外的QCD辐射），会搅乱你听到的内容：它会改变强子活动、篡改丢失能量等信息，然后混进我们想观测的W玻色子衰变信号里。结果就是，这个信号被悄悄注了水，导致最终测出的W玻色子质量数值虚高了一截。物理学家们必须把这层串线的干扰精确扣除，才能听到粒子世界的真实原声。

图2：双部分子散射效应随着其阈值的降低可导致W玻色子质量的反常增加

为什么两个结果不同？大河与小溪的差别

同一个效应，为什么在LHC和Tevatron上导致的结果不同呢？这就要说到两个对撞机背景噪声环境的差异了。

LHC就像平原上奔流的大河，其质子束流的强度极大，每次对撞还会产生大量额外的、均匀分布的“堆积”（pile-up）背景噪音。水流虽急，但整体趋势和规律是稳定、可预测的。正因为这种背景非常均匀、有规律，物理学家可以建立精确的数学模型，像预测水位一样将其完美扣除。但在扣除背景的同时，也把DPS这个微弱信号不小心当成是河流上泛起的波纹，一并被抹平了。所以LHC最终给出的W质量，是相对干净的，符合标准模型的理论预期。

Tevatron的束流强度较低，产生的背景噪音更像山谷间小溪中随机溅起的浪花。这些浪花大小不一、产生随机，没有固定的模式，无法用统一的过滤算法将其扣除。于是，DPS效应混杂在这些随机的浪花中留存了下来，干扰了测量，最终导致测出的W玻色子质量偏高。

一个能验证的预言：Z玻色子质量

为了证实他们的推断，该项研究给出了一个明确的试金石，为未来的实验指明了方向：

Z玻色子是W的“中性表亲”，性质有些相似。若直接使用Tevatron测量W玻色子的方法来处理Z玻色子数据，即在Z玻色子双轻子衰变中，人为忽略一个带电轻子并将其视作一个看不见的中微子信号，那么Tevatron上测量出的Z玻色子质量，同样比其它实验测出的要大。

这个预言是证实还是证伪，将直接决定这个DPS解释能否成立。如果未来实验真的观测到这个现象，就说明我们找到了问题的根源。

有时候，答案就在问题之中

这项研究最引人注意之处在于，它为这个悬而未决的W玻色子超重之谜，提供了一个逻辑严密且能被实验检验的合理解答，而这一切都无需引入超出标准模型的新物理。它告诉我们，在探索宇宙最深层次奥秘时，一些看似反常的新物理迹象，既可能是新物理敲响的晨钟，也可能是我们尚未感知到的某种新效应。而DPS正是这样一种效应。在强子对撞的喧嚣中，DPS不仅是导致W质量等精确测量出现系统性偏差的隐形干扰，更是我们探索强子内部部分子结构、深入理解半硬能区QCD物理的核心探针。

当然，即便DPS预言被证实，也不意味着标准模型完美无缺。只是在这件事上，我们或许需要先厘清现实，再仰望星空。目前对DPS的认识还只是冰山一角。它还会在哪些未知的角落留下蛛丝马迹，又会如何重塑我们对其它物理现象的认知？回答这些问题，需要进一步结合理论研究深挖数据背后的物理，这必将极大拓展我们对标准模型的认知边界。

该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院高能物理研究所创新项目、国家自然科学基金等项目支持。

参考文献：

1. Rui Zhang* and Zhen Zhang*, 2026, Double parton scattering effects on the measurement of the W-boson mass, JHEP, 08, 034, arXiv: 2411.04082 [hep-ph], , https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP08(2026)034

2. 论文成果介绍：高能所团队提出双部分子散射导致W玻色子超重，https://ihep.cas.cn/xwdt2022/gnxw/hotnews/2026/202608/t20260819_8262333.html

（作者分别为航天八院博士、中国科学院高能物理研究所副研究员）

文章转载自"中国科学院高能物理研究所"公众号