發現 W 玻色子比理論大 7 標準差 或動搖理解宇宙運作基礎

經過十年的仔細測量,最新刊於《科學》的研究指,基本粒子 W 玻色子 (W boson) 的質量比理論上大七個標準差 (sigma) ,將動搖我們理解宇宙如何運作的基礎,而此基礎由粒子物理學的標準模型組成,是粒子物理家描述宇宙最基本組成部分以及其力量支配的最佳理論。

標準差也被稱為標準偏差,或者實驗標準差,在概率統計中最常使用作為統計分佈程度上的測量依據。

W 玻色子支配著所謂的弱力 (weak force) ,是自然界的四種基本力之一,因此是標準模型的支柱。

然而,新研究表明對 W 玻色子進行的迄今最精確測量數值,直接與過去模型的預測互相矛盾。

領導這項研究的杜克大學物理學家 Ashutosh Kotwal 向法新社表示,研究集合了 400 多名科學家的 10 多年光陰,從「大約 450 萬億次碰撞的數據中」仔細檢查了 400 萬個 W 玻色子候選者。

這些碰撞實驗是在美國伊利諾伊州費米實驗室的兆電子伏特加速器 (Tevatron) ,並以令人難以置信的速度將粒子撞碎得出。 Tevatron 曾是全球能量最高的粒子加速器,直到 2009 年地位才被日內瓦的大型強子對撞機取代,後者亦在幾年後觀測到希格斯玻色子 (Higgs boson) 而聞名。

Tevatron 已於 2011 年停止運作,但費米實驗室的學者仍不斷處理得到的數據。

在大型強子對撞機工作的劍橋大學粒子物理學家 Harry Cliff 指出,標準模型「可能是有史以來最成功的科學理論」,並做出非常精確的預測,但如果這些預測被證明是錯誤的,則不能僅僅調整模型就可以。

然而,標準模型並非完全無誤。例如模型並不考慮暗物質,暗物質與暗能量一起被認為構成了宇宙的 95% 物質。模型更表明,宇宙本來就不應該存在,因為大爆炸應該已毀滅了宇宙本身;而近年的發現亦暴露出更多模型的一些問題。

Kotwal 就指,研究結果為標準模型缺失部分線索框架,提供了另一個非常有趣且相當大的線索。

法國法國國家科學研究中心的物理學家兼研究主任 Jan Stark 則預測未來幾年將進行相當激烈的討論,又認為 Kotwal 團隊的結果可能是重大發現,或是當中出現少許問題,總之他認為:「非凡的主張要有非凡的證據。」

費米實驗室團隊指出,他們已經以 0.01% 的精度確定了 W 玻色子的質量,精度是之前的兩倍,而 W 玻色子與標準模型所預測的相差七個 sigma 。

Cliff 表明,如靠運氣獲得 5 個 sigma 的結果機會只是百萬分之一。另外,如發現獲確認並非是計算期間存在一些系統性的偏差或誤解,將是物理學上的大事,因為這意味著宇宙中存在一種人類以前從未發現的新的基本成分。現在則需要粒子物理學家和其他實驗跟進確定數字。

來源:

AFP, An Unexpected Boson Measurement Is Threatening The Standard Model of Physics

報告:

CDF Collaboration, Aaltonen, T., Amerio, S. & et al. (2022). High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector. Science Vol 376, Issue 6589 pp. 170-176. DOI: 10.1126/science.abk1781

文/AC、審/WL

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