首次高精度測量大型強子對撞機中W玻色子的質量

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】2018年2月12日發表在《歐洲物理學報C》上的一篇論文中，阿特拉斯合作報告第一次對W玻色子的大型強子對撞機(LHC)進行高精度的測量。這是介導弱相互作用的兩個基本粒子之一，支配我們宇宙物質行為的一種力。報告的結果賦予一個值W 80370±19兆電子伏的質量，這是符合期望從粒子物理學的標準模型,描述已知粒子及其相互作用的理論。這項測量是基於一年(2011年)約1400萬W玻子的記錄，當時大型強子對撞機以7 TeV的能量運行。

圖顯示一個W玻色子的候選事件，從質子-質子對撞中衰變為一個介子和一個中微子，與LHC穩定的光束在7 TeV的碰撞能量中記錄。圖片版權：CERN（歐洲核子研究中心）

它與之前在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機的前身LEP和在美國費米實驗室(Fermilab)前加速器Tevatron上獲得的測量結果相匹配，後者的數據使得在過去20年里持續改進這種測量成為可能。W玻色子是宇宙中已知的最重粒子之一。它在1983年的發現獲得了CERN的超質子反質子同步加速器的成功驗證，並於1984年獲得了諾貝爾物理學獎。雖然W玻色子的性質已經研究了30多年，但測量其質量仍是一個主要的挑戰。ATLAS協作的物理協調員Tancredi Carli說：儘管LHC這樣的強子對撞機存在苛刻的條件，但實現如此精確的測量是一個巨大的挑戰。達到類似的精度，就像以前在其它對撞機上獲得的一樣，只有1年的運行數據是值得注意的。

這是一個非常有希望的跡象，表明我們有能力提高人類對標準模型的認識，並通過高度精確的測量來尋找新物理的跡象。標準模型在預測基本粒子的行為和某些特性方面是非常強大的，並且可以從其他已知的量中推斷出某些參數。例如W玻色子、頂夸克和希格斯玻色子的質量都與量子物理關係聯繫在一起。因此提高W玻色子質量測量的精度是非常重要的，以更好地理解希格斯玻色子，完善標準模型並測試其整體一致性。值得注意的是，今天可以預測W玻色子的質量，其精度超過直接測量。

這就是為什麼它是尋找新物理的關鍵因素，因為測量質量的任何偏差都可能揭示與標準模型相衝突的新現象。這種測量依賴於對探測器的徹底校準以及W玻色子生產的理論模型。這些是通過研究Z玻色子事件和其他一些輔助測量來實現的。分析的複雜性意味著ATLAS團隊花了將近五年的時間才取得了新的成果。通過對現有的大型強子對撞機數據的巨大樣本進行進一步的分析，將會在不久的將來更加精確。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：CERN（歐洲核子研究中心）

編譯：光量子

審校：博科園

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傳播：博科園

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