超精确测量W玻色子结果:质量过重,偏离标准模型

来自全球400名物理学家、花费10年心力分析对撞机高达420万个W玻色子事件后,最新精确测量结果表明,W玻色子质量比标准模型预测值还要重非常多,若这份收集庞大数据的研究经得起推敲,将成为新粒子甚至暗物质参与其中的证据。

标准模型解释了迄今为止看过每种粒子之间的相互作用,2012年时,欧洲大型强子对撞机(LHC)找到模型最后一个未知基本粒子:希格斯玻色子,使标准模型趋向完整。既然标准模型所有粒子都确认,物理学家便能开始测试理论的内部一致性,因为每个粒子属性都取决于其他粒子属性。

其中,使恒星燃烧并形成新元素、负责传递弱核力的W玻色子,质量取决于希格斯粒子与顶夸克质量。纳入其他粒子的测量值,物理学家可预测W玻色子质量并寻找差异。

然而根据美国费米实验室(FNAL)万亿电子伏特加速器(Tevatron)1985~2011年间收集的数据,由美国杜克大学粒子物理学家Ashutosh Kotwal领导的数百人团队,花了10年时间分析420万个W玻色子事件,得出最新精确测量结果,却发现W玻色子质量为80,443.5 MeV(质子86倍),比原本模型预测质量高出7个标准差。

这不是第一次出现模型粒子测量与预测结果不同,去年4月,费米实验室的缈子g-2(Muon g-2)实验结果也发现,缈子(muon,μ子)特性可能与标准模型预测不一致。

众所周知,宇宙中存在感超强的两样东西:重力与暗物质,并不在标准模型解释范围内,为了弄清更基本理论,找到标准模型无法解释的现象相当重要,如果研究成果经得起推敲(靠另一个实验确认),则质量差异说明标准模型未正确预测,研究团队成员之一、德州农工大学物理学家David Toback指出,很可能是某种新粒子或亚原子粒子以某种方式影响W玻色子的证据,甚至可能是暗物质参与其中。

一个明显的新粒子候选者是超对称理论(SUSY)预测的通用粒子:标准模型中所有已知粒子的超对称粒子(超伴子),不过包括大型强子对撞机在内,至今所有粒子加速器都未在数据中发现SUSY粒子迹象。

新论文发布在《科学》(Science)期刊。

(首图来源:费米实验室)