引爆物理界的新發(fā)現(xiàn)：登頂封面卻難以復(fù)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備11年前就拆了

是的，現(xiàn)在已有不少物理學(xué)家表示：

這項(xiàng)登上了 Science 封面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是孤證，還需要其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。

究其原因，還是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)的關(guān)鍵產(chǎn)出設(shè)備，在 2011 年就已經(jīng)被關(guān)閉了。

因此，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究人員可以說是使用了十年前的“過期”數(shù)據(jù)完成了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

在這種情況下，如果最終得到的顛覆性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是源于裝置的某個(gè)故障，也難以再次復(fù)查和驗(yàn)證 ——

別覺得這樣的質(zhì)疑無厘頭，2011 年時(shí)，來自意大利的 OPERA 實(shí)驗(yàn)組就有過同樣顛覆性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：中微子速度超越真空中的光速。

然而在近一年的細(xì)致排查后，才發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果其實(shí)是由一個(gè)光纖接口不牢固導(dǎo)致的。

那么這次松動(dòng)的到底是物理學(xué)的大廈，還是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室裝置的光纖接口，也只能靜待更多的驗(yàn)證了。

一場(chǎng)無法再復(fù)現(xiàn)的“烏云”

這次，我們從用于那臺(tái)產(chǎn)出重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置來看這項(xiàng)引爆物理學(xué)界的實(shí)驗(yàn)。

就是這臺(tái) 1970 年 12 月啟動(dòng)，位于芝加哥的美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的 Tevatron 加速器。

△ 兩個(gè)圓環(huán)都是 Tevatron 加速器的組成部分

Tevatron 加速器周長(zhǎng) 6 千米，曾經(jīng)是世界上最強(qiáng)的加速器。

它的主要功能，就是將正反質(zhì)子加速，使得正反質(zhì)子分別在圓環(huán)形真空軌道內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，在對(duì)撞點(diǎn)處受磁場(chǎng)控制偏向后對(duì)撞。其上還搭載了一個(gè)復(fù)合粒子探測(cè)器（CDF）。

正反質(zhì)子對(duì)撞后，會(huì)產(chǎn)生新的粒子飛出，并產(chǎn)生一條條徑跡。這時(shí)，CDF 內(nèi)不同的層就會(huì)測(cè)量不同類型粒子的動(dòng)量、能量及其分布：

Tevatron 加速器最著名的成果，就是在 1995 年發(fā)現(xiàn)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的最后一個(gè)基本費(fèi)米子：頂夸克。

不過，隨著更加強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī) LHC 的出現(xiàn)，Tevatron 加速器只活躍到了 2011 年，便因缺乏經(jīng)費(fèi)被關(guān)閉，并在隨后的幾年中逐漸被拆除了。

從 2001 年到 2011 年，Tevatron 對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生了大約 500 萬億次碰撞，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們就對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提取出了大約 100 萬個(gè) W 玻色子。

而從那時(shí)起到現(xiàn)在的十余年里，研究人員沒有獲得任何新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

但在十年內(nèi)，他們成功將 Tevatron 對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的粒子的軌跡分辨率從 150 微米提升到了 30 微米，同時(shí)又從數(shù)據(jù)中提取了 300 萬個(gè) W 玻色子。

對(duì)于收集到的對(duì)撞產(chǎn)物的能量、動(dòng)量的分布，研究人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清晰之后，得到了其分布的峰值：

這些分布都被用來測(cè)量 W 玻色子的質(zhì)量。

最終，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了有史以來人類對(duì) W 玻色子質(zhì)量最精確的測(cè)量 —— 精確度達(dá)到了 117ppm（ppm 表示每百萬分之一）。

這一結(jié)果，就仿佛向物理學(xué)界投入了一顆重磅炸彈。

是“新烏云”還是“新烏龍”？

于是乎，與之相關(guān)的討論也隨之熱了起來。

單是在 arXiv 上，在此之后便有了近 30 篇的預(yù)印本論文發(fā)表：

第一種“聲音”，是通過其它實(shí)驗(yàn)來給 CDF 的測(cè)量做佐證。

對(duì)于一些物理學(xué)家來說，W 玻色子質(zhì)量的異常，正好能去年發(fā)現(xiàn)的 μ 子磁矩異常聯(lián)系起來。

當(dāng)時(shí)科學(xué)家發(fā)現(xiàn) μ 子磁矩也和標(biāo)準(zhǔn)模型矛盾，而 W 玻色子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以用來解釋 μ 子磁矩異常的問題。

比如一項(xiàng)來自美國俄克拉荷馬州立大學(xué)與馬普所的工作，就是探討二者的相關(guān)性。

而這項(xiàng)研究認(rèn)為 CDF 的測(cè)量結(jié)果，等于是用一個(gè)異常解釋了另一個(gè)異常。

還有人提出了新的計(jì)算 W 玻色子的模型。

南京師范大學(xué)和 德累斯頓工業(yè)大學(xué)等研究，提出了用 FlexibleSUSY，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的模型中 W 玻色子極質(zhì)量的最新計(jì)算。

研究人員將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展，結(jié)果認(rèn)為：

符合 CDF 的新測(cè)量。

但與此同時(shí)，物理圈里也有不一樣的聲音。

例如來自復(fù)旦、中科院的研究，便基于 CDF 測(cè)量結(jié)果，在各種框架和假設(shè)下進(jìn)行電弱全局?jǐn)M合。

不過在論文的最后，研究人員還是表示：

非常需要更多的理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，來揭示這種差異背后的物理學(xué)。

與此同時(shí)，面對(duì)研究引發(fā)的“新物理學(xué)”的說法，也有更加犀利的聲音 ——

“I fear not (yet).”

發(fā)表這個(gè)觀點(diǎn)的，是來自德國美因茨大學(xué)的 Matthias Schott 教授。

他也是從 2012 年開始研究 W 玻色子質(zhì)量，他認(rèn)為這項(xiàng)測(cè)試是一件非常困難的事情。

而當(dāng)他看完 Science 發(fā)表的這篇論文后評(píng)價(jià)道：

一個(gè)主要的問題是，新的測(cè)量方法與所有其他可用的測(cè)量方法不一致。

我認(rèn)為這一點(diǎn)在他們的論文中沒有表達(dá)地很好。

主要是因?yàn)?LEP 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果沒有被結(jié)合起來；其次是因?yàn)樗麄儧]有顯示 LHCb 的最新結(jié)果。

對(duì)此，Matthias Schott 教授還新建了一張圖表，可以看到，此次 7σ 的結(jié)果與此前的測(cè)量結(jié)果完全不重合，確為一個(gè)孤證。

△ CDF 與其它 W 玻色子質(zhì)量測(cè)量的比較，偏離 7σ 是個(gè)孤例

而在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的論文也提到了一點(diǎn)：

大致意思就是，這次實(shí)驗(yàn)并不是獨(dú)立測(cè)量，是有依賴于現(xiàn)有模型；如果未來有理論模型更新，可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

除此之外，關(guān)于“Tevatron 加速器在 2011 年就關(guān)閉”這個(gè)點(diǎn)，也有聲音認(rèn)為是潛在因素之一。

正如剛開始我們提到的，此前在探測(cè)中微子振蕩的 OPERA 實(shí)驗(yàn)組，就宣布過其所測(cè)中微子速度超越了真空中的光速。

但結(jié)果卻是，實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)這是由一個(gè)光纖接口不牢固導(dǎo)致的。

無獨(dú)有偶，Matthias Schott 教授也曾提到過因?yàn)檠b置而產(chǎn)生的趣聞。

在他和團(tuán)隊(duì)通過 ATLAS 探測(cè)器測(cè)量 W 波色子質(zhì)量過程中，有很長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)中的特征無法做出解釋。

最終他們的發(fā)現(xiàn)是 ATLAS 探測(cè)器因?yàn)樽陨碇亓窟_(dá)到 7000 噸，隨著時(shí)間的推移而變形造成的。

……

而至于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室此次測(cè)量的結(jié)果是否會(huì)真的引發(fā)“新物理學(xué)”，答案還需交給時(shí)間和未來的發(fā)展。

不過正如 Matthias Schott 教授，有一點(diǎn)是值得肯定的：

W 玻色子質(zhì)量在未來的研究中是值得的！

參考鏈接：

[1]https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

[2]https://arxiv.org/search/?searchtype=all&query=W+boson&abstracts=show&size=50&order=-submitted_date

[3]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ke6khJ-TFOrK5nGJ-AdXDg

[5]https://arxiv.org/abs/2204.05303

[6]https://arxiv.org/abs/2204.05296

[7]https://arxiv.org/abs/2204.05285

[8]https://non-trivial-solution.blogspot.com/2022/04/do-we-have-finally-found-new-physics.html

[9] 王一研究宇宙：https://www.zhihu.com/ question / 526650510 / answer / 2428671332