費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的對撞機(jī)探測器記錄了1985年至2011年間由Tevatron對撞機(jī)產(chǎn)生的高能粒子碰撞情況。來自23個(gè)國家54個(gè)機(jī)構(gòu)的約400名科學(xué)家仍在研究該實(shí)驗(yàn)收集的大量數(shù)據(jù)。圖片來源：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

■本報(bào)記者 韓揚(yáng)眉

4月7日，《科學(xué)》以封面文章的形式刊發(fā)一項(xiàng)重要成果：美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室對撞機(jī)探測器（CDF）合作組的389位科學(xué)家，共同完成了迄今為止對W玻色子質(zhì)量的最精確測量，其精度達(dá)到了前所未有的0.01%。

這一令全球?qū)嶒?yàn)與理論物理學(xué)家們振奮和激動(dòng)的結(jié)果，可能將挑戰(zhàn)粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。

在中國科學(xué)院理論物理研究所研究員于江浩看來，比結(jié)果更重要的是，這是“實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家堅(jiān)持在舊的金礦中挖掘、‘十年磨一劍’終于淘得的金子”。“舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍有獲得新發(fā)現(xiàn)的能力和優(yōu)勢，只要堅(jiān)持在正確的方向上，依然可以做出領(lǐng)先世界的成果。”于江浩告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

標(biāo)準(zhǔn)模型之上的追求

基本粒子之間存在4種基本的相互作用：引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力，每種相互作用都是由某一種媒介粒子傳遞的，它們被稱為玻色子。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，W玻色子就是一種傳遞弱力的媒介粒子。這里的W就是weak（弱）的縮寫。

2012年，著名的“上帝粒子”希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著標(biāo)準(zhǔn)模型取得了極大的成功。標(biāo)準(zhǔn)模型也被稱為粒子物理學(xué)的基本理論模型。

“但是，標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋什么是暗物質(zhì)、什么是暗能量，也不能解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱。因此，它只是一定能量標(biāo)度下的有效理論，也就是說必定存在更加普適的理論，這是粒子物理學(xué)所要追求的目標(biāo)。”北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系研究員李強(qiáng)告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

也因此，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的“新”物理現(xiàn)象成為眾多物理學(xué)家畢生追求的目標(biāo)。

李強(qiáng)進(jìn)一步解釋，尋找新物理通常有“直接”和“間接”兩種途徑，測量W玻色子的質(zhì)量屬于后者。通過精確測量W玻色子質(zhì)量，科學(xué)家可以以之檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的自洽性，提供揭示可能的新物理跡象的重要途徑。

于江浩介紹，W玻色子質(zhì)量是標(biāo)準(zhǔn)模型的重要基本參數(shù)，W玻色子質(zhì)量的精確測量本身十分有意義。W玻色子質(zhì)量經(jīng)常被選為標(biāo)準(zhǔn)模型理論計(jì)算的輸入?yún)��?shù)，很多物理過程的預(yù)言敏感依賴于W玻色子質(zhì)量的輸入值。基于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的高度可預(yù)言性，W玻色子質(zhì)量的改變牽一發(fā)而動(dòng)全身，會(huì)影響到已有物理測量的自洽性。

“W玻色子質(zhì)量的精確測量是間接探測新粒子的一種手段，如果對其質(zhì)量測量十分精確，就可能檢測到某些新粒子、新物理產(chǎn)生的影響。”于江浩說。

“最精確的測量”

“我們知道，W玻色子的質(zhì)量十分重要，因?yàn)槠渲苯佑绊懥嗽�子核弱衰變，以及太陽中輕核聚變的速率。如果其質(zhì)量遠(yuǎn)輕于80倍的質(zhì)子質(zhì)量，那么太陽的壽命就會(huì)比現(xiàn)在短很多，甚至可能已燃燒殆盡。”于江浩表示。

W玻色子的質(zhì)量精度是如何一步步提高的？

1983年，研究人員在歐洲核子中心的SPS質(zhì)子反質(zhì)子對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了W玻色子，第一次測量顯示其質(zhì)量為80.4GeV（10億電子伏特）左右，誤差為0.8。美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron質(zhì)子反質(zhì)子對撞機(jī)基于部分結(jié)果數(shù)據(jù)，在2012年公布結(jié)果，誤差為0.016。從上世紀(jì)90年代開始，歐洲核子中心的大型正負(fù)電子對撞機(jī)持續(xù)改進(jìn)W玻色子的質(zhì)量測量精度，在2013年將誤差縮至0.033。2010年以來，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)持續(xù)開展W玻色子的質(zhì)量測量工作，但精度提高得并不多。

“W玻色子的質(zhì)量精確測量是所有對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)上的旗艦式課題, 需要對探測器、物理對象重建、軟件計(jì)算、理論預(yù)言等有很深刻的理解和掌控。”李強(qiáng)表示。

直到近日，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF合作組分析了對撞機(jī)在2002年至2011年間第二輪運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)，得到了W玻色子質(zhì)量目前最精確的測量（80.4335 +- 0.0094 GeV），其精度達(dá)到了前所未有的0.01%。

“這是非常精確的結(jié)果。”于江浩介紹，需要對實(shí)驗(yàn)誤差（比如丟失能量等的測量精度）進(jìn)行進(jìn)一步控制，同時(shí)大大降低部分子分布函數(shù)的誤差等——這直接影響橫向動(dòng)量的分布——計(jì)算到很高的精度，這些CDF都做到了。

于江浩進(jìn)一步表示，雖然此次測量結(jié)果與2012年的測量結(jié)果相比偏離不大，但是由于誤差的極大壓低，測量的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期結(jié)果（80.357 +- 0.006 GeV）偏離高了7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

“在粒子物理領(lǐng)域，通常高于5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差就意味著確信和現(xiàn)有理論不符合，這是這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓很多人激動(dòng)的原因。”于江浩說。

偏差是如何產(chǎn)生的？

于江浩說，這一偏差有可能是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理引起的，但是由于這一偏差體現(xiàn)在W玻色子質(zhì)量的高階修正上，新物理的效應(yīng)只是間接體現(xiàn)，因此無法直接敲定是何種新物理。此外，實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差、部分子分布函數(shù)因子化誤差、非微擾的理論輸入的模型依賴依然存在；標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期主要是來自于電弱整體擬合，這一理論擬合也許存在偏差。

“所以雖然偏離達(dá)到7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對其是否是新物理的貢獻(xiàn)仍需持謹(jǐn)慎態(tài)度，需要通過減小實(shí)驗(yàn)和理論誤差以及其他實(shí)驗(yàn)比如LHC來進(jìn)一步驗(yàn)證，以確定是否是由新物理導(dǎo)致的，并且從相關(guān)新物理的直接尋找來排除一部分可能的新物理。”于江浩表示。

“舊礦”淘得真“金子”

這是在一臺(tái)已經(jīng)拆除的儀器上作出的成果。

事實(shí)上，2011年，Tevatron實(shí)驗(yàn)裝置在關(guān)閉后逐漸被拆除，很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家投入到了新儀器LHC的懷抱，希望在新的金礦中淘金。

于江浩曾于2012年訪問費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，參觀了即將拆解的實(shí)驗(yàn)裝置。他問道，“CDF實(shí)驗(yàn)組成員還剩多少？”“很大一部分都去做LHC物理的分析了，只有少量實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家還在整理目前的數(shù)據(jù)。”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科研人員有些“悲壯”地告訴他。

而10年之后，CDF的研究結(jié)果“一鳴驚人”。這也讓于江浩意識(shí)到，還是有一部分物理學(xué)家選擇繼續(xù)在舊的金礦中挖掘，終于淘得金子，真的是“十年磨一劍”。這種堅(jiān)持，連同實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家緊密無私合作的科學(xué)精神，都非常值得學(xué)習(xí)。

目前，我國也有一些科學(xué)家在LHC和未來對撞機(jī)的多玻色子物理研究上作出了一系列重要的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

李強(qiáng)介紹，2012年，我國科學(xué)家首先提出高能環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)方案（CEPC）。環(huán)形對撞機(jī)造價(jià)較低，卻能在240GeV能區(qū)達(dá)到更高的亮度，并能產(chǎn)生大量W、Z粒子來精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型。因此，環(huán)形對撞機(jī)對于研究希格斯粒子與精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型更具優(yōu)勢。

未來，CEPC與歐洲核子中心未來環(huán)形對撞機(jī)的項(xiàng)目，均計(jì)劃在91GeV的對撞能量（Z pole）以及W玻色子對的質(zhì)量閾值附近取數(shù)，用于電弱物理的精確測量，將大大改進(jìn)W玻色子質(zhì)量測量精度。

“我希望自己能堅(jiān)持在一個(gè)領(lǐng)域做到極致。”于江浩一直記得著名W玻色子理論研究工作者、美國密歇根州立大學(xué)教授袁簡鵬告訴他的話——“一個(gè)理論家等到退休的時(shí)候，一定要能留下比較堅(jiān)實(shí)的工作，而不應(yīng)該一直盲目追逐熱點(diǎn)。”