2022年4月7日，《科學》雜志的封面文章爆出了一條引發(fā)物理學界震動的大新聞。這篇由近400位科學家合著的論文指出，他們對W玻色子的質(zhì)量進行了前所未有的高精度測量，結果發(fā)現(xiàn)測量值比粒子物理標準模型的預測值重了近0.1%。這一差異看似十分微小，但它在粒子物理學體系中的含義卻無比重大。一旦該測量值得到佐證，它或許意味著一個全新物理學時代的到來，而人類對物質(zhì)世界的認知邊界，也很可能發(fā)生革命性的突破。

(資料圖)

（來源：《科學》官網(wǎng)截圖）

粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群眾所能理解的，它到目前為止最大的成就之一就是建立了粒子物理的標準模型。那么，這個標準模型到底講了些什么？有沒有可能用生活中的概念去嘗試理解它？如何從粒子物理標準模型的角度來理解本次的“大新聞”？

首先我們必須承認，標準模型是人類歷史上最復雜，最難以理解的物理理論，甚至沒有之一。即便是維基百科或者百度百科中的描述，普通人也可能一個字都看不懂。為了讓大家都夠獲得一點可以“打包外帶”的知識，我們也只能盡可能地以描述化、圖像化的方式來跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事兒。

粒子物理想要解決怎樣的問題？

粒子物理學主要研究組成物質(zhì)的基本粒子以及它們之間的相互作用。很多種類的射線（例如電子束、中微子束等）即便肉眼不可見，也仍然能與其他有形或者無形的物質(zhì)發(fā)生各種作用和交互，事實上隸屬于廣義的物質(zhì)，因此同樣是粒子物理的研究范疇。

由于許多基本粒子在自然界不能穩(wěn)定存在或不單獨出現(xiàn)，物理學家們只能利用高能粒子加速器讓它們相互碰撞，才能讓它們出現(xiàn)在觀察視野，進而研究它們，因此粒子物理學也被稱為高能物理學。那么問題來了，耗費巨資才能實施的粒子物理研究，科學家們到底希望從中找到哪些答案？

兆電子伏特加速器（左）和大型強子對撞機（右）

（來源：維基百科“粒子加速器”）

粒子物理想要回答的問題主要有兩個，第一是物質(zhì)由什么組成，第二是物質(zhì)間如何相互作用。這里的物質(zhì)包括從宇宙星體到原子內(nèi)部的廣大物質(zhì)世界，而作用形式也包括強力、弱力、電磁力與引力這四大基本力。

換句話說，粒子物理致力于尋找一系列物質(zhì)世界中最基本問題的答案。它可能不像很多應用科學一樣，很快就能找到與日常生活的契合點，從而迅速造福人類。但粒子物理決定了人類認識客觀世界的視野邊際，實際上也決定了人類科技水平所能達到的上限。即便看上去“沒什么大用”，但只有先認識規(guī)律才能利用規(guī)律。好比學習外語，人永遠不可能說出自己從未接觸過的單詞，探索和理解正是應用的前提。

粒子物理的標準模型是什么？

經(jīng)過物理學家100多年的努力，人類的認識水平已經(jīng)深入原子核內(nèi)部，甚至將組成原子核的質(zhì)子和中子又分解為更加基本的粒子。并且，人類還發(fā)現(xiàn)四大基本力的作用形式其實還與某些傳遞這些作用的媒介粒子有關，例如電磁作用就與光子關系密切，這就好比是兩個不直接接觸的人通過互相拋擲小球感受到彼此的力量。

最終，科學家們通過將組成物質(zhì)的粒子細分，以及尋找作用力間負責力傳遞的各種粒子，獲得了一個由基本粒子構成的龐大家族，這個家族的家譜就叫粒子物理標準模型。

標準模型的基本粒子分為兩大類型，分別是負責組成物質(zhì)的夸克和輕子，以及負責傳遞相互作用的媒介子。這些基本粒子們還有各自的屬性，比如質(zhì)量、電荷、自旋以及味道、顏色等等，這又導致同一個種類的基本粒子有時候還要細分成幾種。比如共有6種味道的夸克，每味夸克又分為3種顏色，再加上正反，一共就是36種夸克。最終，目前的標準模型中包含了61種基本粒子。

粒子物理標準模型

（來源：維基百科“標準模型”）

你一定會覺得標準模型和你印象中的物理完全不同，印象中的物理簡潔而優(yōu)雅，而標準模型卻有一種“為賦新詞強說愁”的感覺。實際上，很多科學家最初也有這樣的困惑，如果說構建標準模型是給基本粒子們蓋房子，科學家們最開始的計劃其實是蓋個蒙古包，結果后來發(fā)現(xiàn)得修四合院，后來發(fā)現(xiàn)房間不夠住又被迫起了小公寓，到最后不知不覺就蓋成了摩天大樓。

不過最厲害的是，雖然標準模型的建立過程是摸著石頭過河，但是目前為止，它極好地統(tǒng)一了電磁力、強力和弱力，經(jīng)它預言的很多新粒子也在之后陸續(xù)被人發(fā)現(xiàn)。這個過程我們還是用蓋樓來比喻說明，最開始這樓怎么搭大家都沒主意，一邊蓋一邊想。有人說這兒得多加一層，有人說這兒得留幾個屋。最后沒想到，房間剛剛好，客人都滿意。

一直到希格斯粒子于2012年被發(fā)現(xiàn)后，現(xiàn)行粒子物理標準模型的61個房間都被全員入住了。在這座大廈的構筑過程中，很多科學家都發(fā)揮了關鍵作用，直接與之相關的諾貝爾獎得主就有數(shù)十人之多。他們或是在尋找“客人”的過程中做出了突出貢獻，例如丁肇中在實驗上率先發(fā)現(xiàn)了重味夸克粲夸克c；或是對“大廈的藍圖”做出了合理的意見和建議，例如希格斯通過構造希格斯機制理論上預言了希格斯玻色子。

如何用《西游記》來類比標準模型？

如果你還是沒法理解標準模型，那么我們就以《西游記》為例來做個說明。在《西游記》的世界中，龍王跟土地掌管山川海洋，魑魅魍魎各自為禍一方，天庭的神仙們無憂無慮，佛祖在西方普度眾生，閻王爺在地底下暗戳戳苦哈哈地記著生死簿。

你要問它們之間靠啥聯(lián)系，那就是取經(jīng)組的四人一馬。如果說標準模型是《西游記》，那么其中每種勢力都包含著若干成員，比如各種夸克好比各自是小鉆風、白骨精、玉面狐，合稱妖魔鬼怪；而取經(jīng)四人組上通天庭下達地府，因此扮演著媒介子的角色。

“大新聞”具體是怎么回事？

了解了標準模型的大致圖景，我們來看看本次“震動”物理學界的重大發(fā)現(xiàn)。

W玻色子在標準模型中處于非常核心的位置，自從1983年被觀測到以來，科學家們一直在嘗試以盡可能高的精度來測定其質(zhì)量。事實上，之前的各項實驗結論均取得了與標準模型的預言吻合度很高的W玻色子質(zhì)量，這也是標準模型正確性的決定性證據(jù)之一。

但在最新的測量中，W玻色子的質(zhì)量為80433.5±9MeV（下圖右下CDF Ⅱ），而此前標準模型的預測值則為80357MeV（圖中灰色立柱）。有趣的是，本次測量的數(shù)據(jù)推翻了2012年在同一臺對撞機上獲得的結論（下圖下方藍色的CDF2012），也極大地提高了另外一次測量獲得的精度（下圖上方的CDF I）。由于獲得了極高的精度和顯著的統(tǒng)計學差異，本次測量的結果可以說是爆出了粒子物理學界最近三十年來的最大發(fā)現(xiàn)。那么，科學家們采用了怎樣的測量方法，該方法靠譜嗎？

通過來自不同加速器的實驗數(shù)據(jù)所測得的W玻色子質(zhì)量值

（來源：《科學》雜志）

W玻色子質(zhì)量的測定絕非易事

W玻色子在高能碰撞中產(chǎn)生，之后迅速衰變，在它的衰變過程中，將可能產(chǎn)生電子、繆子或者反中微子等。由于中微子無法使目前所采用的探測器發(fā)生反應，因此中微子實際的產(chǎn)生量看起來無從而知。

通常，我們可以通過測量衰變產(chǎn)物的能量和動量來確定基本粒子的質(zhì)量，但由于無法直接測量W玻色子產(chǎn)生的中微子產(chǎn)物，上述經(jīng)典方法就不適用了。

因此，科學家們采取了一種折中的方式，他們并沒有測量單個碰撞事件中產(chǎn)生的單個粒子，而是測定整個碰撞事件的整體結果。即整體上來看損失的能量和動量都應該歸因于中微子，然后再據(jù)此反推W玻色子質(zhì)量。

然而，如果對整個碰撞事件進行測量，同樣存在一定的困難——粒子探測器無法測出非常微小的動量變化。不過科學家們有折中的辦法，他們根據(jù)碰撞后粒子的動量分布，可以計算出無法測量動量的粒子所占的比率，再據(jù)此來修正對動量的測量結果。

可見，對W玻色子質(zhì)量的精確測定絕非易事，將近400位科學家耗費十年時間，才最終將這一結論公之于眾。特別是考慮到實驗結論注定會對現(xiàn)有理論造成強烈沖擊，本次的論文也是在反復檢驗的基礎上才進行發(fā)表。

論文作者名單就占據(jù)了一頁紙篇幅

（來源：《科學》雜志）

標準模型的大廈真要“塌房”了？

一位參與該項目的研究人員對此表示，“我們用的辦法肯定沒錯.……但差異這么大，只能說明自然界還有點什么新東西，原先的標準模型沒涵蓋。”那么，我們應該如何用蓋房子的類比來理解他的話呢？

首先，我們必須承認標準模型并不完美，它仍然有不少無法回答的問題，例如引力的本質(zhì)、宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量謎團等等。這說明標準模型的大廈還有繼續(xù)擴建的必要，還有應該入住的住戶無家可歸，被關在大廈之外，無法找到屬于自己的房間。

粒子物理學標準模型在物理學體系中所處的位置

（來源：維基百科“萬有理論”）

其次，在之前的標準模型內(nèi)部，我們?nèi)匀徽J為它是足夠自洽的。如同上面所說，大廈的修筑過程雖然耗費了數(shù)十年之久，但最后的結果還算完美，無論是從“61位住戶”還是“大廈結構”本身的角度來說，看起來都剛剛好，住戶與住戶之間的相處還算和諧。

然而，本次的新發(fā)現(xiàn)卻提示我們，有一位“住戶”的登記信息和實際情況好像有所不符。到底是房間的設計有問題，還是存在著某些“神秘的新住戶”，我們?nèi)匀徊坏枚?。當然，實驗結果本身出了問題，也并非不可能，目前的當務之急是利用其它加速器獲得的數(shù)據(jù)進行獨立校驗。

假如本次實驗結論的正確性得到證明，那么標準模型理論所做出的類似預測，例如Z玻色子的質(zhì)量、溫伯格角、頂夸克質(zhì)量以及希格斯玻色子質(zhì)量等都有進一步進行高精度驗證的必要。一旦實測數(shù)據(jù)和標準模型的理論預言確實存在普遍偏離，那么現(xiàn)有的標準模型可能必須面臨修正。

從這個意義上說，本次成就歸功于粒子物理學領域在過去二三十年間進行的大量實驗，堪稱是無數(shù)科研人員的集大成之作。理論物理學家們在過去幾十年來一直期待的“新物理”，可能真的要進入人類的視野了。

（來源：Freepik.com）

參考文獻：

挑戰(zhàn)標準模型？最新W玻色子質(zhì)量測量值高出理論7個標準差

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

Wボソンの質(zhì)量が...

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

費米實驗室W玻色子質(zhì)量實驗與理論矛盾，登《科學》封面

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1729525697847274262&wfr=spider&for=pc

作者：張昊

出品：科普中國

標簽： 標準模型 基本粒子 科學家們