欧洲核子研究中心实验解锁W玻色子的新探究

欧洲核子研究中心科学家在映射标准模型中一个关键粒子的质量中取得破纪录的准确性。

HARD SCIENCE — SEPTEMBER 19, 2024

Don Lincoln

Credit: Samuel Joseph Hertzog / CERN

关键要点

•欧洲核子研究中心的研究人员已经做出了W玻色子的一个突破性的超精确测量，W玻色子是标准物理模型中的一个关键粒子。

•用来自紧凑型μ介子螺线管（CMS）探测器的先进技术和数据，他们在确定它的质量中取得前所未有的精度。

•这一成就证实之前的发现并推动精确度的边界，为探索自然的基本力开辟新的途径。

建设新的物理设施往往进步我们的自然的基本定律的理解。它们创造新的能力并开辟未探索的地平线。但这并不是科学家能探索未知的唯一途径。另一种是来做出非常精确的测量并将它们与计算结果比较。有时，一个微小的差异给我们指点一个新的方向。遵循这种方法，欧洲核子研究中心实验室的研究人员已经用紧凑型μ介子螺线管（CMS）探测器做出一个W玻色子的质量的前所未有的精确测量，W玻色子是我们现代物质的行为的理论的基石之一。（此处技术说明here。）

在亚原子水平上，三种统治物质的行为的力：电磁力和强弱核力。弱核力也许是最有趣的。虽然微弱，但它是一种能改变其他基本亚原子粒子身份的力。弱核力的早期理论被在20世纪30年代发展，然而，在20世纪60年代和70年代一个更现代的版本被发展。按照接受的理论，弱核力被两种不同的叫W和Z玻色子的亚原子粒子交换传递。这两种粒子20世纪80年代都被在欧洲核子研究中心实验室发现。它们都是不稳定的并在一秒的一个分数内衰变。为确定它们的属性，科学家们做出它们的衰变产物的精确的测量并反向工作。

Z玻色子是更容易来研究的粒子。它衰变成易于探测和可测量的粒子，允许科学家来精确特征化它的属性。从1989年到2000年，欧洲核子研究中心实验室的科学家们操作了LEP加速器并以一个0.002%的精度测量了Z玻色子的质量。LEP加速器是一个周长27公里（16.5英里）的磁铁环，它将电子和反物质电子加速到接近光速。这些粒子被一起碰撞而科学家们用这些碰撞来做他们的研究。

测量W玻色子的挑战

研究W玻色子是远更困难的。虽然W玻色子以许多不同的方式衰变，但一种很常见的方式是它衰变成一种携带电荷的粒子和另一种叫一个中微子的电中性粒子。虽然电荷上衰变的产物的属性是容易来测量的，但中微子在探测器中不相互作用。它逃脱——它的属性未知的。

因为科学家不能够测量W玻色子的衰变产物之一，这使确定W玻色子的质量比Z玻色子广大的更困难。用LEP加速器的研究人员只能以一个0.04%的精度测量W玻色子的质量。在费米国家加速器实验室（Fermilab）用DZero探测器做出的一个测量取得了0.03%的精度，而一个费米实验室的竞争对手的叫CDF的实验报告了一个为0.01%的精度。然而，CDF测量值与所有其他测量值实在的不一致，这呼吁质疑报告的精度。

2000年，LEP加速器关闭以便被拆除并用一种叫大型强子对撞机（LHC）的新加速器替换，该加速器于2011年开始运行。大型强子对撞机主持几个已经研究W玻色子的大型实验。2023年3月，ATLAS实验以一个0.02%的精度测量了W玻色子的质量；然而，今天的由紧凑型μ介子螺线管实验的测量超过这一精度并取得了0.01%。与更早的CDF结果不同，紧凑型μ介子螺线管测量结果与之前的测量结果一致，这为该数字提供可信度。（披露：作者是DZero和CMS合作的一个成员）。

一个精准的新时代

用如此精度来测量W玻色子的质量是一项有纪念意义的成就，需要研究人员发明新技术。之前的测量用Z玻色子来校准他们的探测器。鉴于Z玻色子能被测量的容易，这是一种谨慎的方法。然而，虽然W和Z玻色子是兄弟姐妹，但它们不是双胞胎，这样这种谨慎的方法不是没有它自己的弱性的。

要做出W玻色子的质量的一个如此精确的测量，紧凑型μ介子螺线管研究人员需要将来自大量其中W玻色子能衰变的不同方式的数据结合。他们还用新的理论进步来提高他们的精度。此外，科学家们用他们庞大的数据集来重新校准紧凑型μ介子螺线管探测器，这将测量不确定性降低了一个十的因子。

为给出一个涉及这种测量中困难的更好评价，紧凑型μ介子螺线管合作只用了2016年记录的数据。只用了八年的中间时间来取得必要的精度水平。这相当于以一英寸的精度来测量埃菲尔铁塔的高度。

由主流理论做出的预测的精确测量对寻找新物理学是一个极好的途径。W玻色子质量的精确测量标志着大型强子对撞机过渡到研究自然的规律的新阶段。不是依赖原始功率（大型强子对撞机产生比以前更高七倍的碰撞），而是围绕加速器的精密探测器允许比过去可能的远更灵敏的测量。

大型强子对撞机预计直到2040年运行，应该产生迄今为止已经被记录的30多倍的数据。

https://bigthink.com/hard-science/decoding-the-w-boson-cern-measurements-break-new-ground/