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2024年12月19日，停滞100年的物理学，终于有重大突破？W玻色子超重意味着什么？原创2022-05-19 20:01·科学认识论2022年4月，美国费米加速实验室公布了2001年到2011年十年间对W玻色子的测量数据。发现w玻色子比标准模型预言的质量，超重了将近0.1%。这0.1%的差距说严重一点，可能会导致整个粒子物理学坍塌！美国费米实验室测量w玻色子的最新质量为80.4335Gev，正负误差0.0094Gev而标准模型预言的W玻色子的质量是80.357Gev，正负误差0.006Gev。理论预测和实验测量的W玻色子相差只有不到0.1%，为什么会引起物理学如此大的轰动？在粒子物理中，sigma是预言新粒子存在与否的金标准。如果实验数据和理论预测相差超过5sigma，这就意味着，可能存在一种未知的粒子。而此次费米实验室测量的w玻色子的质量和标准模型预言的质量相差为7sigma，这就意味着可能存在一种新的未知粒子夹杂在测量过程中。相差7sigma意味着什么？在实验物理中，测量粒子的质量肯定存在误差，只有大量重复的测量，才能获得更多的数据，数据就越精确。比如扔硬币，扔100次硬币，可能有48次正面朝上。再扔100次硬币，可能49次正面朝上。不断重复实验，会发现每扔一百次硬币，大部分结果都是接近正反面各50次朝上的情况。几乎很少出现20次正面朝上的情况。如果将扔硬币的情况列成正态分布图，会发现最顶端代表的是正反各50次的情况。比如，47次正面朝上和50次正面朝上的偏差是3，而标准偏差就是所有偏差值平方的平均数的平方根。一个标准偏差就是一个sigma。在测量粒子的物理量时，偏差值是1sigma意味着，测量三次数据，只有一次和理论预测不符，概率是33%。2sigma意味着测量22次数据，只有一次和理论预测不符，概率为4.5%，3sigma意味着测量370次数据，只有一次与理论预测不符，概率为0.27%。5sigma意味着测量1744278次数据，只有一次和理论不符，概率为0.00000057%5sigma在粒子物理中是黄金标准，任何超过5sigma的数据都被视为有可能的新发现。而此次W玻色子和理论预测相差7sigma，意味着发生概率只有万亿分之一。这种基本上可以忽略不计的概率居然被实验室碰到，可以排除是由于误差导致的。所以w玻色子的质量与理论预测的不符基本上是事实。w玻色子质量超重为什么会颠覆粒子物理学？在四大基本相互作用力中，只有弱力和强力在原子核内发生作用。原子核由质子和中子构成，它们又由更小的夸克构成。中子和质子一般由三个夸克构成，这三个夸克组合成的复合粒子到底是中子还是质子，取决于夸克的种类。两个上夸克和一个下夸克的组合形式就是质子，而一个上夸克和两个下夸克的组合形式就是中子。如果一个上夸克变成下夸克，则质子就会变成中子。这种变化在学术叫“夸克味变”，而引发夸克味变的力就是弱力，W和Z玻色子就是弱力的传播子。所以W和Z玻色子决定了中子和质子之间的相互变换。在2012年，希格斯机制确立之后，我们才知道W和Z玻色子的质量来源于希格斯场的激发，希格斯场不仅赋予了W和Z玻色子的质量，还赋予了其他基本粒子的质量。通过希格斯场，W玻色子和其他所有基本粒子都建立起来联系。所以对W玻色子的质量校正，会牵一发而动全身。目前测量W玻色子的质量有两种方式，一种是直接测量，也就是此次费米实验室公布的测量方式。另一种是间接测量，也就是理论预测的测量方式。由于W玻色子的质量很难直接测量出来，而Z玻色子的质量比较容易测量。所以一般采用间接测量的方式推导W玻色子的质量。在弱电理论中，W玻色子和Z玻色子的质量遵守严格的对应关系。W玻色子的质量和Z玻色子的质量之比等于温伯格角。所以只需测量Z玻色子的质量和温伯格角就可以计算出W玻色子的质量。这就是理论计算出的W玻色子的质量。此次W玻色子的测量数据都是10几年前的老数据了，科学家在500万亿次碰撞中提取到400万个有关W玻色子的数据。通过大量的分析，才得到W玻色子的精确质量。至于为什么不在当时就分析这些数据，具体还不清楚，个人推测可能是之前分析数据的能力有所欠缺。此次测量的W玻色子的质量在红点区域，而理论预测在白点区域。那问题出在哪了？在粒子物理中，要直接测量一个粒子的质量，必须考虑到量子校正。因为所有大质量粒子的质量都会受到其他粒子的影响。W玻色子的质量自然也会受到其他粒子的影响。所以一般要采用量子校正去除这些影响。w玻色子质量之所以会比预测的超重，要么问题就出现在通过z玻色子和温伯格角的间接测量方式上，要么问题就在影响W玻色子质量的其他粒子上。在间接测量中，Z玻色子和温伯格角之积的测量法已经用了几十年，十分精确，况且这种误差是无法通过修正Z玻色子和温伯格角来弥补的。而在直接测量中，W玻色子的质量通常采用如图的公式W玻色子的质量等于没有量子校正过的原始质量加顶夸克和希格斯玻色子的质量校正以及其他粒子的质量校正。其他粒子的影响值之所以用省略号代替，主要是它们的影响比较小。主要影响在顶夸克和希格斯玻色子上。然而物理学家对顶夸克和希格斯玻色子的质量测量也十分精确，在这出问题的可能性不大。所以物理学家更迫切将目光投入到对W玻色子质量影响比较小的其他粒子上。然而，添加目前已知的所有粒子的可能影响后，都无法弥补这种误差。所以物理学家推测，可能存在一种未知的新粒子作用其中，导致W玻色子的质量超重。但是这只是一种可能的推测。后续还需要更多的实验室重新测量。如果最后确定w玻色子的质量真的超重了，那问题可能出在希格斯场上，说明希格斯机制存在重大缺陷，也或许发现了新的粒子。个人比较期待W玻色子真的超重了，毕竟现在的标准模型还有很多问题，比如无法兼容引力子和暗物质粒子。没有矛盾，就没有前进。物理学的革命往往都是在乌云中诞生的！
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