引爆物理界的新发现，实验设备11年前就拆了？

本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：金磊、博雯，原文标题：《引爆物理界的新发现：登顶封面却难以复现，实验设备11年前就拆了》，头图来自：Fermilab

W玻色子严重“超重”，带来的风波还在继续。

这项被誉为是“十年来最重磅物理学发现”的研究，对于物理学界正是“垂死病中惊坐起，还能发现新物理”^[9]。

若验证为真，将使得基础物理学理论被重新改写。

但如果无法验证呢？

是的，现在已有不少物理学家表示：

这项登上了Science封面的实验结果是孤证，还需要其他实验进一步确认。

究其原因，还是这项实验所用数据的关键产出设备，在2011年就已经被关闭了。

因此，费米实验室的研究人员可以说是使用了十年前的“过期”数据完成了这项实验。

在这种情况下，如果最终得到的颠覆性的实验结果只是源于装置的某个故障，也难以再次复查和验证。

别觉得这样的质疑无厘头，2011年时，来自意大利的OPERA实验组就有过同样颠覆性的实验结果：中微子速度超越真空中的光速。

然而在近一年的细致排查后，才发现这一结果其实是由一个光纤接口不牢固导致的。

那么这次松动的到底是物理学的大厦，还是费米实验室装置的光纤接口，也只能静待更多的验证了。

一、一场无法再复现的“乌云”

这次，我们从用于那台产出重要实验数据的装置来看这项引爆物理学界的实验。

就是这台1970年12月启动，位于芝加哥的美国费米国家实验室的Tevatron加速器。

△两个圆环都是Tevatron加速器的组成部分

Tevatron加速器周长6千米，曾经是世界上最强的加速器。

它的主要功能，就是将正反质子加速，使得正反质子分别在圆环形真空轨道内顺时针和逆时针运动，在对撞点处受磁场控制偏向后对撞。

其上还搭载了一个复合粒子探测器（CDF）。

正反质子对撞后，会产生新的粒子飞出，并产生一条条径迹。

这时，CDF内不同的层就会测量不同类型粒子的动量、能量及其分布：

图片来自：费米实验室

Tevatron加速器最著名的成果，就是在1995年发现了粒子物理学标准模型预测的最后一个基本费米子：顶夸克。

不过，随着更加强大的对撞机LHC的出现，Tevatron加速器只活跃到了2011年，便因缺乏经费被关闭，并在随后的几年中逐渐被拆除了。

从2001年到2011年，Tevatron对撞机产生了大约500万亿次碰撞，费米实验室的科学家们就对这些数据进行分析，并提取出了大约100万个W玻色子。

而从那时起到现在的十余年里，研究人员没有获得任何新的实验数据。

但在十年内，他们成功将Tevatron对撞机产生的粒子的轨迹分辨率从150微米提升到了30微米，同时又从数据中提取了300万个W玻色子。

对于收集到的对撞产物的能量、动量的分布，研究人员对数据进行清晰之后，得到了其分布的峰值：

这些分布都被用来测量W玻色子的质量。

最终，费米实验室团队实现了有史以来人类对W玻色子质量最精确的测量——精确度达到了117ppm（ppm表示每百万分之一）。

这一结果，就仿佛向物理学界投入了一颗重磅炸弹。

二、是“新乌云”还是“新乌龙”？

于是乎，与之相关的讨论也随之热了起来。

单是在arXiv上，在此之后便有了近30篇的预印本论文发表：

第一种“声音”，是通过其它实验来给CDF的测量做佐证。

对于一些物理学家来说，W玻色子质量的异常，正好能去年发现的μ子磁矩异常联系起来。

当时科学家发现μ子磁矩也和标准模型矛盾，而W玻色子的实验结果，可以用来解释μ子磁矩异常的问题。

比如一项来自美国俄克拉荷马州立大学与马普所的工作，就是探讨二者的相关性。

而这项研究认为CDF的测量结果，等于是用一个异常解释了另一个异常。

还有人提出了新的计算W玻色子的模型。

南京师范大学和 德累斯顿工业大学等研究，提出了用FlexibleSUSY，对标准模型以外的模型中W玻色子极质量的最新计算。

研究人员将计算结果应用到了几个标准模型的扩展，结果认为：

符合CDF的新测量。

但与此同时，物理圈里也有不一样的声音。

例如来自复旦、中科院的研究，便基于CDF测量结果，在各种框架和假设下进行电弱全局拟合。

不过在论文的最后，研究人员还是表示：

非常需要更多的理论和实验发展，来揭示这种差异背后的物理学。

与此同时，面对研究引发的“新物理学”的说法，也有更加犀利的声音——

“I fear not (yet).”

发表这个观点的，是来自德国美因茨大学的Matthias Schott教授。

他也是从2012年开始研究W玻色子质量，他认为这项测试是一件非常困难的事情。

而当他看完Science发表的这篇论文后评价道：

一个主要的问题是，新的测量方法与所有其他可用的测量方法不一致。

我认为这一点在他们的论文中没有表达得很好。

主要是因为LEP实验的测量结果没有被结合起来；其次是因为他们没有显示LHCb的最新结果。

对此，Matthias Schott教授还新建了一张图表，可以看到，此次7σ的结果与此前的测量结果完全不重合，确为一个孤证。

△ CDF与其它W玻色子质量测量的比较，偏离7σ是个孤例

而在费米实验室的论文也提到了一点：

大致意思就是，这次实验并不是独立测量，是有依赖于现有模型；如果未来有理论模型更新，可能会影响测量结果。

除此之外，关于“Tevatron加速器在2011年就已经关闭”这个点，也有声音认为是潜在因素之一。

正如刚开始我们提到的，此前在探测中微子振荡的OPERA实验组，就宣布过其所测中微子速度超越了真空中的光速。

但结果却是，实验组发现这是由一个光纤接口不牢固导致的。

无独有偶，Matthias Schott教授也曾提到过因为装置而产生的趣闻。

在他和团队通过ATLAS探测器测量W波色子质量过程中，有很长一段时间对数据中的特征无法做出解释。

最终他们发现是因为ATLAS探测器自身重量达到7000吨，随着时间的推移产生了变形造成的。

……

而至于费米实验室此次测量的结果是否会真的引发“新物理学”，答案还需交给时间和未来的研究。

不过正如Matthias Schott教授，有一点是值得肯定的：

W玻色子质量在未来的研究中是值得的！

参考链接：

[1]https://www.science.org/content/article/mass-rare-particle-may-conflict-standard-model-signaling-new-physics

[2]https://arxiv.org/search/?searchtype=all&query=W+boson&abstracts=show&size=50&order=-submitted_date

[3]https://www.quantamagazine.org/fermilab-says-particle-is-heavy-enough-to-break-the-standard-model-20220407/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ke6khJ-TFOrK5nGJ-AdXDg

[5]https://arxiv.org/abs/2204.05303

[6]https://arxiv.org/abs/2204.05296

[7]https://arxiv.org/abs/2204.05285

[8]https://non-trivial-solution.blogspot.com/2022/04/do-we-have-finally-found-new-physics.html

[9]王一研究宇宙：https://www.zhihu.com/question/526650510/answer/2428671332

本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：金磊、博雯