粒子物理的大廈真要“塌房”了？《科學(xué)》雜志爆出物理學(xué)界最近幾十年最大進(jìn)展

2022年4月7日，《科學(xué)》雜志的封面文章爆出了一條引發(fā)物理學(xué)界震動(dòng)的大新聞。這篇由近400位科學(xué)家合著的論文指出，他們對(duì)W玻色子的質(zhì)量進(jìn)行了前所未有的高精度測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)量值比粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值重了近0.1%。這一差異看似十分微小，但它在粒子物理學(xué)體系中的含義卻無(wú)比重大。一旦該測(cè)量值得到佐證，它或許意味著一個(gè)全新物理學(xué)時(shí)代的到來(lái)，而人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知邊界，也很可能發(fā)生革命性的突破。

（來(lái)源：《科學(xué)》官網(wǎng)截圖）

粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群眾所能理解的，它到目前為止最大的成就之一就是建立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。那么，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型到底講了些什么？有沒(méi)有可能用生活中的概念去嘗試?yán)斫馑?？如何從粒子物理?biāo)準(zhǔn)模型的角度來(lái)理解本次的“大新聞”？

首先我們必須承認(rèn)，標(biāo)準(zhǔn)模型是人類(lèi)歷史上最復(fù)雜，最難以理解的物理理論，甚至沒(méi)有之一。即便是維基百科或者百度百科中的描述，普通人也可能一個(gè)字都看不懂。為了讓大家都?jí)颢@得一點(diǎn)可以“打包外帶”的知識(shí)，我們也只能盡可能地以描述化、圖像化的方式來(lái)跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事兒。

粒子物理想要解決怎樣的問(wèn)題？

粒子物理學(xué)主要研究組成物質(zhì)的基本粒子以及它們之間的相互作用。很多種類(lèi)的射線（例如電子束、中微子束等）即便肉眼不可見(jiàn)，也仍然能與其他有形或者無(wú)形的物質(zhì)發(fā)生各種作用和交互，事實(shí)上隸屬于廣義的物質(zhì)，因此同樣是粒子物理的研究范疇。

由于許多基本粒子在自然界不能穩(wěn)定存在或不單獨(dú)出現(xiàn)，物理學(xué)家們只能利用高能粒子加速器讓它們相互碰撞，才能讓它們出現(xiàn)在觀察視野，進(jìn)而研究它們，因此粒子物理學(xué)也被稱(chēng)為高能物理學(xué)。那么問(wèn)題來(lái)了，耗費(fèi)巨資才能實(shí)施的粒子物理研究，科學(xué)家們到底希望從中找到哪些答案？

兆電子伏特加速器（左）和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（右）

（來(lái)源：維基百科“粒子加速器”）

粒子物理想要回答的問(wèn)題主要有兩個(gè)，第一是物質(zhì)由什么組成，第二是物質(zhì)間如何相互作用。這里的物質(zhì)包括從宇宙星體到原子內(nèi)部的廣大物質(zhì)世界，而作用形式也包括強(qiáng)力、弱力、電磁力與引力這四大基本力。

換句話說(shuō)，粒子物理致力于尋找一系列物質(zhì)世界中最基本問(wèn)題的答案。它可能不像很多應(yīng)用科學(xué)一樣，很快就能找到與日常生活的契合點(diǎn)，從而迅速造福人類(lèi)。但粒子物理決定了人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的視野邊際，實(shí)際上也決定了人類(lèi)科技水平所能達(dá)到的上限。即便看上去“沒(méi)什么大用”，但只有先認(rèn)識(shí)規(guī)律才能利用規(guī)律。好比學(xué)習(xí)外語(yǔ)，人永遠(yuǎn)不可能說(shuō)出自己從未接觸過(guò)的單詞，探索和理解正是應(yīng)用的前提。

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是什么？

經(jīng)過(guò)物理學(xué)家100多年的努力，人類(lèi)的認(rèn)識(shí)水平已經(jīng)深入原子核內(nèi)部，甚至將組成原子核的質(zhì)子和中子又分解為更加基本的粒子。并且，人類(lèi)還發(fā)現(xiàn)四大基本力的作用形式其實(shí)還與某些傳遞這些作用的媒介粒子有關(guān)，例如電磁作用就與光子關(guān)系密切，這就好比是兩個(gè)不直接接觸的人通過(guò)互相拋擲小球感受到彼此的力量。

最終，科學(xué)家們通過(guò)將組成物質(zhì)的粒子細(xì)分，以及尋找作用力間負(fù)責(zé)力傳遞的各種粒子，獲得了一個(gè)由基本粒子構(gòu)成的龐大家族，這個(gè)家族的家譜就叫粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子分為兩大類(lèi)型，分別是負(fù)責(zé)組成物質(zhì)的夸克和輕子，以及負(fù)責(zé)傳遞相互作用的媒介子。這些基本粒子們還有各自的屬性，比如質(zhì)量、電荷、自旋以及味道、顏色等等，這又導(dǎo)致同一個(gè)種類(lèi)的基本粒子有時(shí)候還要細(xì)分成幾種。比如共有6種味道的夸克，每味夸克又分為3種顏色，再加上正反，一共就是36種夸克。最終，目前的標(biāo)準(zhǔn)模型中包含了61種基本粒子。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

（來(lái)源：維基百科“標(biāo)準(zhǔn)模型”）

你一定會(huì)覺(jué)得標(biāo)準(zhǔn)模型和你印象中的物理完全不同，印象中的物理簡(jiǎn)潔而優(yōu)雅，而標(biāo)準(zhǔn)模型卻有一種“為賦新詞強(qiáng)說(shuō)愁”的感覺(jué)。實(shí)際上，很多科學(xué)家最初也有這樣的困惑，如果說(shuō)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模型是給基本粒子們蓋房子，科學(xué)家們最開(kāi)始的計(jì)劃其實(shí)是蓋個(gè)蒙古包，結(jié)果后來(lái)發(fā)現(xiàn)得修四合院，后來(lái)發(fā)現(xiàn)房間不夠住又被迫起了小公寓，到最后不知不覺(jué)就蓋成了摩天大樓。

不過(guò)最厲害的是，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型的建立過(guò)程是摸著石頭過(guò)河，但是目前為止，它極好地統(tǒng)一了電磁力、強(qiáng)力和弱力，經(jīng)它預(yù)言的很多新粒子也在之后陸續(xù)被人發(fā)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程我們還是用蓋樓來(lái)比喻說(shuō)明，最開(kāi)始這樓怎么搭大家都沒(méi)主意，一邊蓋一邊想。有人說(shuō)這兒得多加一層，有人說(shuō)這兒得留幾個(gè)屋。最后沒(méi)想到，房間剛剛好，客人都滿意。

一直到希格斯粒子于2012年被發(fā)現(xiàn)后，現(xiàn)行粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的61個(gè)房間都被全員入住了。在這座大廈的構(gòu)筑過(guò)程中，很多科學(xué)家都發(fā)揮了關(guān)鍵作用，直接與之相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)得主就有數(shù)十人之多。他們或是在尋找“客人”的過(guò)程中做出了突出貢獻(xiàn)，例如丁肇中在實(shí)驗(yàn)上率先發(fā)現(xiàn)了重味夸克粲夸克c；或是對(duì)“大廈的藍(lán)圖”做出了合理的意見(jiàn)和建議，例如希格斯通過(guò)構(gòu)造希格斯機(jī)制理論上預(yù)言了希格斯玻色子。

如何用《西游記》來(lái)類(lèi)比標(biāo)準(zhǔn)模型？

如果你還是沒(méi)法理解標(biāo)準(zhǔn)模型，那么我們就以《西游記》為例來(lái)做個(gè)說(shuō)明。在《西游記》的世界中，龍王跟土地掌管山川海洋，魑魅魍魎各自為禍一方，天庭的神仙們無(wú)憂無(wú)慮，佛祖在西方普度眾生，閻王爺在地底下暗戳戳苦哈哈地記著生死簿。

你要問(wèn)它們之間靠啥聯(lián)系，那就是取經(jīng)組的四人一馬。如果說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)模型是《西游記》，那么其中每種勢(shì)力都包含著若干成員，比如各種夸克好比各自是小鉆風(fēng)、白骨精、玉面狐，合稱(chēng)妖魔鬼怪；而取經(jīng)四人組上通天庭下達(dá)地府，因此扮演著媒介子的角色。

“大新聞”具體是怎么回事？

了解了標(biāo)準(zhǔn)模型的大致圖景，我們來(lái)看看本次“震動(dòng)”物理學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)。

W玻色子在標(biāo)準(zhǔn)模型中處于非常核心的位置，自從1983年被觀測(cè)到以來(lái)，科學(xué)家們一直在嘗試以盡可能高的精度來(lái)測(cè)定其質(zhì)量。事實(shí)上，之前的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論均取得了與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言吻合度很高的W玻色子質(zhì)量，這也是標(biāo)準(zhǔn)模型正確性的決定性證據(jù)之一。

但在最新的測(cè)量中，W玻色子的質(zhì)量為80433.5±9MeV（下圖右下CDF Ⅱ），而此前標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值則為80357MeV（圖中灰色立柱）。有趣的是，本次測(cè)量的數(shù)據(jù)推翻了2012年在同一臺(tái)對(duì)撞機(jī)上獲得的結(jié)論（下圖下方藍(lán)色的CDF2012），也極大地提高了另外一次測(cè)量獲得的精度（下圖上方的CDF I）。由于獲得了極高的精度和顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，本次測(cè)量的結(jié)果可以說(shuō)是爆出了粒子物理學(xué)界最近三十年來(lái)的最大發(fā)現(xiàn)。那么，科學(xué)家們采用了怎樣的測(cè)量方法，該方法靠譜嗎？

通過(guò)來(lái)自不同加速器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所測(cè)得的W玻色子質(zhì)量值

（來(lái)源：《科學(xué)》雜志）

W玻色子質(zhì)量的測(cè)定絕非易事

W玻色子在高能碰撞中產(chǎn)生，之后迅速衰變，在它的衰變過(guò)程中，將可能產(chǎn)生電子、繆子或者反中微子等。由于中微子無(wú)法使目前所采用的探測(cè)器發(fā)生反應(yīng)，因此中微子實(shí)際的產(chǎn)生量看起來(lái)無(wú)從而知。

通常，我們可以通過(guò)測(cè)量衰變產(chǎn)物的能量和動(dòng)量來(lái)確定基本粒子的質(zhì)量，但由于無(wú)法直接測(cè)量W玻色子產(chǎn)生的中微子產(chǎn)物，上述經(jīng)典方法就不適用了。

因此，科學(xué)家們采取了一種折中的方式，他們并沒(méi)有測(cè)量單個(gè)碰撞事件中產(chǎn)生的單個(gè)粒子，而是測(cè)定整個(gè)碰撞事件的整體結(jié)果。即整體上來(lái)看損失的能量和動(dòng)量都應(yīng)該歸因于中微子，然后再據(jù)此反推W玻色子質(zhì)量。

然而，如果對(duì)整個(gè)碰撞事件進(jìn)行測(cè)量，同樣存在一定的困難——粒子探測(cè)器無(wú)法測(cè)出非常微小的動(dòng)量變化。不過(guò)科學(xué)家們有折中的辦法，他們根據(jù)碰撞后粒子的動(dòng)量分布，可以計(jì)算出無(wú)法測(cè)量動(dòng)量的粒子所占的比率，再據(jù)此來(lái)修正對(duì)動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果。

可見(jiàn)，對(duì)W玻色子質(zhì)量的精確測(cè)定絕非易事，將近400位科學(xué)家耗費(fèi)十年時(shí)間，才最終將這一結(jié)論公之于眾。特別是考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)論注定會(huì)對(duì)現(xiàn)有理論造成強(qiáng)烈沖擊，本次的論文也是在反復(fù)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上才進(jìn)行發(fā)表。

論文作者名單就占據(jù)了一頁(yè)紙篇幅

（來(lái)源：《科學(xué)》雜志）

標(biāo)準(zhǔn)模型的大廈真要“塌房”了？

一位參與該項(xiàng)目的研究人員對(duì)此表示，“我們用的辦法肯定沒(méi)錯(cuò).……但差異這么大，只能說(shuō)明自然界還有點(diǎn)什么新東西，原先的標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)涵蓋?！蹦敲?，我們應(yīng)該如何用蓋房子的類(lèi)比來(lái)理解他的話呢？

首先，我們必須承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模型并不完美，它仍然有不少無(wú)法回答的問(wèn)題，例如引力的本質(zhì)、宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量謎團(tuán)等等。這說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型的大廈還有繼續(xù)擴(kuò)建的必要，還有應(yīng)該入住的住戶無(wú)家可歸，被關(guān)在大廈之外，無(wú)法找到屬于自己的房間。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型在物理學(xué)體系中所處的位置

（來(lái)源：維基百科“萬(wàn)有理論”）

其次，在之前的標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)部，我們?nèi)匀徽J(rèn)為它是足夠自洽的。如同上面所說(shuō)，大廈的修筑過(guò)程雖然耗費(fèi)了數(shù)十年之久，但最后的結(jié)果還算完美，無(wú)論是從“61位住戶”還是“大廈結(jié)構(gòu)”本身的角度來(lái)說(shuō)，看起來(lái)都剛剛好，住戶與住戶之間的相處還算和諧。

然而，本次的新發(fā)現(xiàn)卻提示我們，有一位“住戶”的登記信息和實(shí)際情況好像有所不符。到底是房間的設(shè)計(jì)有問(wèn)題，還是存在著某些“神秘的新住戶”，我們?nèi)匀徊坏枚?。?dāng)然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身出了問(wèn)題，也并非不可能，目前的當(dāng)務(wù)之急是利用其它加速器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立校驗(yàn)。

假如本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性得到證明，那么標(biāo)準(zhǔn)模型理論所做出的類(lèi)似預(yù)測(cè)，例如Z玻色子的質(zhì)量、溫伯格角、頂夸克質(zhì)量以及希格斯玻色子質(zhì)量等都有進(jìn)一步進(jìn)行高精度驗(yàn)證的必要。一旦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言確實(shí)存在普遍偏離，那么現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型可能必須面臨修正。

從這個(gè)意義上說(shuō)，本次成就歸功于粒子物理學(xué)領(lǐng)域在過(guò)去二三十年間進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)，堪稱(chēng)是無(wú)數(shù)科研人員的集大成之作。理論物理學(xué)家們?cè)谶^(guò)去幾十年來(lái)一直期待的“新物理”，可能真的要進(jìn)入人類(lèi)的視野了。

（來(lái)源：Freepik.com）

參考文獻(xiàn)：

挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)模型？最新W玻色子質(zhì)量測(cè)量值高出理論7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

Wボソンの質(zhì)量が...

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室W玻色子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)與理論矛盾，登《科學(xué)》封面

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