費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室：實(shí)現(xiàn)迄今為止對(duì)W玻色子質(zhì)量的最精確測(cè)量

經(jīng)過(guò)10年的仔細(xì)分析和審查，美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)探測(cè)器(CDF)合作項(xiàng)目的科學(xué)家7日宣布，他們實(shí)現(xiàn)了迄今為止對(duì)W玻色子質(zhì)量的最精確測(cè)量，W玻色子是自然界的載力粒子之一。利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF收集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)以0.01%的精度確定了粒子的質(zhì)量，這是以前最佳測(cè)量值的兩倍。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的對(duì)撞機(jī)探測(cè)器記錄了1985年至2011年TEVATRON對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的高能粒子碰撞。來(lái)自23個(gè)國(guó)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)。

發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的新精確測(cè)量值，將使科學(xué)家能夠測(cè)試粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，這是從最基本層面描述自然的理論框架。測(cè)量結(jié)果是，新的質(zhì)量值顯示了科學(xué)家在標(biāo)準(zhǔn)模型的背景下使用實(shí)驗(yàn)和理論輸入獲得的值之間的差異。

如果確認(rèn)，此測(cè)量結(jié)果表明可能需要改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算或擴(kuò)展模型。新測(cè)量值與之前的許多W玻色子質(zhì)量測(cè)量值一致，但也存在一些差異，未來(lái)的測(cè)量將需要更多地闡明結(jié)果。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室副主任喬·萊肯說(shuō)：“雖然這是一個(gè)有趣的結(jié)果，但測(cè)量結(jié)果需要通過(guò)另一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)確認(rèn)，然后才能完全解釋。”

W玻色子是負(fù)責(zé)傳遞弱核力的基本粒子，它負(fù)責(zé)使太陽(yáng)發(fā)光和粒子衰變的核過(guò)程。利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的高能粒子碰撞，CDF合作項(xiàng)目收集了1985年至2011年間包含W玻色子的大量數(shù)據(jù)。

W玻色子的質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量的80倍，或大約80000MeV/c2。20多年來(lái)，CDF研究人員一直致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)W玻色子質(zhì)量越來(lái)越精確的測(cè)量。最新質(zhì)量測(cè)量的中心值和不確定度為80433±9MeV/c2。該結(jié)果使用了從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對(duì)撞機(jī)收集的整個(gè)數(shù)據(jù)集。它基于對(duì)420萬(wàn)個(gè)W玻色子者的觀察，大約是2012年發(fā)布的合作分析中使用的數(shù)量的4倍。

“過(guò)去40年來(lái)，許多對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)都對(duì)W玻色子質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量。”意大利國(guó)家核物理研究所的CDF聯(lián)合發(fā)言人喬治·基亞雷利說(shuō)，“這些都是具有挑戰(zhàn)性的、復(fù)雜的測(cè)量，而且它們已經(jīng)達(dá)到了很高的精度。我們花了很多年的時(shí)間來(lái)完成所有的細(xì)節(jié)和必要的檢查。這是我們迄今為止最可靠的測(cè)量，測(cè)量值和預(yù)期值之間的差異仍然存在。”

研究人員還將他們的結(jié)果與使用標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)W玻色子質(zhì)量的預(yù)期最佳值80357±6MeV/c2進(jìn)行了比較。該值基于復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算，該計(jì)算將W玻色子的質(zhì)量與其他兩個(gè)粒子的質(zhì)量的測(cè)量值錯(cuò)綜復(fù)雜地聯(lián)系起來(lái)：1995年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)的頂夸克和2012年在歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。

總編輯圈點(diǎn)：

CDF項(xiàng)目歷經(jīng)了許多年，精確的測(cè)量值其實(shí)一直隱藏在分析儀中，直到項(xiàng)目得到全面審查，科學(xué)家才將這個(gè)驚喜結(jié)果帶到世人面前。這一結(jié)果對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型的準(zhǔn)確性作出了重要貢獻(xiàn)，理論物理學(xué)界和其他實(shí)驗(yàn)也都將跟進(jìn)并繼續(xù)闡明這個(gè)問(wèn)題，如果實(shí)驗(yàn)值和預(yù)期值之間的差異真的是由于某種新的粒子或亞原子相互作用造成的，那么它終歸有一天會(huì)被發(fā)現(xiàn)。(作者:張夢(mèng)然)

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