这种亚原子粒子的惊人重量具有重大影响

太阳、核电站和碳测年法都利用原子中心粒子之间的相互作用来发挥作用。这些在一定程度上是亚原子粒子 W 玻色子的功劳。W 玻色子是弱核力的隐形载体，弱核力是宇宙中导致放射性衰变的基本力。

这也是粒子物理学最新谜团的主题。4 月 7 日， 《科学》杂志发表了迄今为止对 W 玻色子质量的最新、最精确、最全面的测量结果，结果显示该粒子比预期的要重。

这种偏差很难解释。如果测量结果得到证实——这是一个很大的假设——那么这可能是迄今为止最有力的证据，表明粒子物理学长期以来对宇宙最小尺度的理解，即标准模型，尚未完成。

“自然界是否还隐藏着另一个会影响这一特定量的粒子？”杜克大学粒子物理学家、发表该论文的合作小组成员阿舒托什·科特瓦尔 (Ashutosh Kotwal) 问道。

W 玻色子并非新发现的粒子：CERN 科学家在 20 世纪 80 年代初就发现了它，理论家在十多年前就预测了它的存在。从一开始，确定其质量就是我们的目标。

加州大学圣巴巴拉分校粒子物理学家 Claudio Campagnari 表示：“这种测量方法由来已久，其精度也越来越高，因为它一直被认为是一项非常重要的测量。”他并不是该论文的作者之一。

事实上，最新的《科学》论文是十多年前实验的成果。论文的合著者们都使用了 Tevatron 的数据：这是一台位于芝加哥郊区费米实验室的粒子加速器，最后一次碰撞发生在 2011 年。

当粒子绕着费米实验室的环旋转并相互碰撞时，它们会爆发成闪闪发光的高能粒子碎片——包括 W 玻色子。随着碰撞次数的增加，科学家可以收集更多数据，以拼凑出 W 玻色子的质量。

“我们为自己设定的任务是：去衡量事实。这是我们迄今为止为获得这一事实所做的最大努力，”科特瓦尔说。

这些粒子以非常接近光速的速度绕着加速器旋转，几乎瞬间相互撞击。另一方面，分析它们的碰撞需要数年时间。费米实验室团队之前在 2006 年和 2012 年就做过这件事，分别花了四年和五年的时间来整理之前的数据集。

这是因为测量 W 玻色子的质量是一个精细且高度敏感的过程，必须考虑各种微小的干扰，从加速器内部磁场的变化到观测到碰撞的探测器的角度。

“小错误可能会造成大影响，因此必须非常小心谨慎地进行。据我所知，作者们已经非常小心谨慎，这也是他们多年来一直致力于此项工作的原因。”瑞士欧洲核子研究中心的粒子物理学家马丁·穆尔德斯 (Martijn Mulders) 说道，他并不是该论文的作者之一。

这项研究耗时十多年。最后，他们发现 W 玻色子的质量比之前的任何测量结果都要大，而且质量太大，无法与理论预测相符。几乎可以肯定，这种差异太大，不能被简单地视为统计上的偶然事件。

坎帕尼亚里说：“我认为人们真的没有想到新的结果会与预测相差如此之远。”

[相关：物理学家接近希格斯玻色子的极短寿命]

W 玻色子是标准模型的一块砖头，标准模型是现代粒子物理学的核心。标准模型由十几个亚原子粒子组成，它们是宇宙的基本组成部分，由理论的束缚紧密编织而成。标准模型一直是物理学家发现新粒子的指南：最值得注意的是，它引导研究人员发现了希格斯玻色子，这种人们长期寻找的粒子有助于赋予同类粒子质量。标准模型的预测一次又一次地被证实了。

但标准模型并不是一本综合性的著作，它所描绘的宇宙图景仍有许多未解之谜。它没有解释引力如何或为何起作用，没有解释暗物质，也没有解释为何宇宙中的物质比反物质多得多。

科特瓦尔说：“我们绝不认为标准模型本质上是完整的。”

如果结果成立，“我想我们可以诚实地说，这可能是标准模型多年来遇到的最大问题”，穆尔德斯说。

在接下来的几天和几个月里，粒子物理学家将仔细分析这篇论文的方方面面，以寻找解释。费米实验室团队可能犯了一个未被发现的错误；也可能理论背景上的一个微小调整就能解释这种差异。

即使费米实验室的发现是正确的，任务仍未完成。物理学家必须独立地交叉检查结果，在完全不同的实验中验证它。例如，他们想知道为什么以前的测量都没有发现像这个一样大的 W 玻色子。“为此，希望寄托在欧洲核子研究中心的实验上，”穆尔德斯说。

事实上，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 已经观测到比 Tevatron 更多的 W 玻色子。现在，利用其数据进行研究的科学家有了新的动力，可以从这些观测中计算出质量。当 LHC 在今年晚些时候全面投入使用时，或者更远的未来，即 2027 年升级时，他们可能会从新的碰撞中找到帮助。

但假设 LHC 确实给出了证据。那么，行为不端的 W 玻色子可能是潜伏在量子阴影中看不见的某种东西的指纹。也许这是另一种粒子的迹象，比如一种长期难以捉摸的超对称理论所预测的粒子，或者一种迄今未知的力量。

“这实际上是我们所认为的标准模型的核心，而这个模型将会被打破......你必须开始质疑一切，”穆尔德斯说。