停滯100年的物理學(xué)，終于有重大突破？W玻色子超重意味著什么？

2022年4月，美國費米加速實驗室公布了2001年到2011年十年間對W玻色子的測量數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)w玻色子比標(biāo)準模型預(yù)言的質(zhì)量，超重了將近0.1%。

這0.1%的差距說嚴重一點，可能會導(dǎo)致整個粒子物理學(xué)坍塌！

美國費米實驗室測量w玻色子的最新質(zhì)量為80.4335Gev，正負誤差0.0094Gev

而標(biāo)準模型預(yù)言的W玻色子的質(zhì)量是80.357Gev，正負誤差0.006Gev。

理論預(yù)測和實驗測量的W玻色子相差只有不到0.1%，為什么會引起物理學(xué)如此大的轟動？

在粒子物理中，sigma是預(yù)言新粒子存在與否的金標(biāo)準。

如果實驗數(shù)據(jù)和理論預(yù)測相差超過5sigma，這就意味著，可能存在一種未知的粒子。

而此次費米實驗室測量的w玻色子的質(zhì)量和標(biāo)準模型預(yù)言的質(zhì)量相差為7sigma，這就意味著可能存在一種新的未知粒子夾雜在測量過程中。

相差7sigma意味著什么？

在實驗物理中，測量粒子的質(zhì)量肯定存在誤差，只有大量重復(fù)的測量，才能獲得更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就越精確。

比如扔硬幣，扔100次硬幣，可能有48次正面朝上。再扔100次硬幣，可能49次正面朝上。

不斷重復(fù)實驗，會發(fā)現(xiàn)每扔一百次硬幣，大部分結(jié)果都是接近正反面各50次朝上的情況。

幾乎很少出現(xiàn)20次正面朝上的情況。如果將扔硬幣的情況列成正態(tài)分布圖，會發(fā)現(xiàn)最頂端代表的是正反各50次的情況。

比如，47次正面朝上和50次正面朝上的偏差是3，而標(biāo)準偏差就是所有偏差值平方的平均數(shù)的平方根。一個標(biāo)準偏差就是一個sigma。

在測量粒子的物理量時，偏差值是1sigma意味著，測量三次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測不符，概率是33%。

2sigma意味著測量22次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測不符，概率為4.5%，

3sigma意味著測量370次數(shù)據(jù)，只有一次與理論預(yù)測不符，概率為0.27%。

5sigma意味著測量1744278次數(shù)據(jù)，只有一次和理論不符，概率為0.00000057%

5sigma在粒子物理中是黃金標(biāo)準，任何超過5sigma的數(shù)據(jù)都被視為有可能的新發(fā)現(xiàn)。

而此次W玻色子和理論預(yù)測相差7sigma，意味著發(fā)生概率只有萬億分之一。

這種基本上可以忽略不計的概率居然被實驗室碰到，可以排除是由于誤差導(dǎo)致的。所以w玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)測的不符基本上是事實。

w玻色子質(zhì)量超重為什么會顛覆粒子物理學(xué)？

在四大基本相互作用力中，只有弱力和強力在原子核內(nèi)發(fā)生作用。

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，它們又由更小的夸克構(gòu)成。中子和質(zhì)子一般由三個夸克構(gòu)成，這三個夸克組合成的復(fù)合粒子到底是中子還是質(zhì)子，取決于夸克的種類。

兩個上夸克和一個下夸克的組合形式就是質(zhì)子，而一個上夸克和兩個下夸克的組合形式就是中子。

如果一個上夸克變成下夸克，則質(zhì)子就會變成中子。這種變化在學(xué)術(shù)叫“夸克味變”，而引發(fā)夸克味變的力就是弱力，W和Z玻色子就是弱力的傳播子。

所以W和Z玻色子決定了中子和質(zhì)子之間的相互變換。

在2012年，希格斯機制確立之后，我們才知道W和Z玻色子的質(zhì)量來源于希格斯場的激發(fā)，希格斯場不僅賦予了W和Z玻色子的質(zhì)量，還賦予了其他基本粒子的質(zhì)量。通過希格斯場，W玻色子和其他所有基本粒子都建立起來聯(lián)系。所以對W玻色子的質(zhì)量校正，會牽一發(fā)而動全身。

目前測量W玻色子的質(zhì)量有兩種方式，一種是直接測量，也就是此次費米實驗室公布的測量方式。

另一種是間接測量，也就是理論預(yù)測的測量方式。

由于W玻色子的質(zhì)量很難直接測量出來，而Z玻色子的質(zhì)量比較容易測量。所以一般采用間接測量的方式推導(dǎo)W玻色子的質(zhì)量。

在弱電理論中，W玻色子和Z玻色子的質(zhì)量遵守嚴格的對應(yīng)關(guān)系。

W玻色子的質(zhì)量和Z玻色子的質(zhì)量之比等于溫伯格角。

所以只需測量Z玻色子的質(zhì)量和溫伯格角就可以計算出W玻色子的質(zhì)量。這就是理論計算出的W玻色子的質(zhì)量。

此次W玻色子的測量數(shù)據(jù)都是10幾年前的老數(shù)據(jù)了，科學(xué)家在500萬億次碰撞中提取到400萬個有關(guān)W玻色子的數(shù)據(jù)。通過大量的分析，才得到W玻色子的精確質(zhì)量。至于為什么不在當(dāng)時就分析這些數(shù)據(jù)，具體還不清楚，個人推測可能是之前分析數(shù)據(jù)的能力有所欠缺。

此次測量的W玻色子的質(zhì)量在紅點區(qū)域，而理論預(yù)測在白點區(qū)域。

那問題出在哪了？

在粒子物理中，要直接測量一個粒子的質(zhì)量，必須考慮到量子校正。因為所有大質(zhì)量粒子的質(zhì)量都會受到其他粒子的影響。W玻色子的質(zhì)量自然也會受到其他粒子的影響。所以一般要采用量子校正去除這些影響。

w玻色子質(zhì)量之所以會比預(yù)測的超重，要么問題就出現(xiàn)在通過z玻色子和溫伯格角的間接測量方式上，要么問題就在影響W玻色子質(zhì)量的其他粒子上。

在間接測量中，Z玻色子和溫伯格角之積的測量法已經(jīng)用了幾十年，十分精確，況且這種誤差是無法通過修正Z玻色子和溫伯格角來彌補的。

而在直接測量中，W玻色子的質(zhì)量通常采用如圖的公式

W玻色子的質(zhì)量等于沒有量子校正過的原始質(zhì)量加頂夸克和希格斯玻色子的質(zhì)量校正以及其他粒子的質(zhì)量校正。其他粒子的影響值之所以用省略號代替，主要是它們的影響比較小。

主要影響在頂夸克和希格斯玻色子上。然而物理學(xué)家對頂夸克和希格斯玻色子的質(zhì)量測量也十分精確，在這出問題的可能性不大。所以物理學(xué)家更迫切將目光投入到對W玻色子質(zhì)量影響比較小的其他粒子上。

然而，添加目前已知的所有粒子的可能影響后，都無法彌補這種誤差。

所以物理學(xué)家推測，可能存在一種未知的新粒子作用其中，導(dǎo)致W玻色子的質(zhì)量超重。

但是這只是一種可能的推測。后續(xù)還需要更多的實驗室重新測量。

如果最后確定w玻色子的質(zhì)量真的超重了，那問題可能出在希格斯場上，說明希格斯機制存在重大缺陷，也或許發(fā)現(xiàn)了新的粒子。

個人比較期待W玻色子真的超重了，畢竟現(xiàn)在的標(biāo)準模型還有很多問題，比如無法兼容引力子和暗物質(zhì)粒子。

沒有矛盾，就沒有前進。物理學(xué)的革命往往都是在烏云中誕生的！