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物理學標準模型的崩潰:最重要的基本粒子的品質超出了合理的極限

2024-04-03科學

2022 年,一個備受矚目的發現震撼了整個科學界。美國 Tevatron 對撞機多年的研究幾乎引發了一場物理學革命。試想一下,我們的世界處於平衡狀態,也就是說,所有的組成元素都完美地相互關聯,結構不會坍塌。但突然間,其中一個組成元素變成了另一種設計,於是一切都轟然倒塌。同樣,W-玻色子也震撼了基本粒子的經典物理學。

規範玻色子

宇宙中的一切都是由基本粒子的運動和交互作用創造和體現的。它們的行為有多不同取決於它們的特性:品質、電荷、能量等。因此,只有了解了量子層面上發生的事情,才有可能深入了解世界的基本結構。

在被稱為粒子物理學標準模型的現代量子世界圖景之謎中,一些元素仍然缺失。然後 CDF 合作的物理學家發現 W 玻色子(一種具有弱核力的基本粒子,即所謂的規範玻色子)的品質高於該模型的預測。

該研究的作者計算出,它比電子重大約 15.7 萬倍。然後標準模型本身就被這種無法解決的不一致所動搖。理論數據和實驗數據之間存在非常顯著的差異 - 0.09%。而標準誤差為0.01%。

值得註意的是,在十年的時間裏測量了四百萬次粒子碰撞的參數。它們的準確度是早期測量的兩倍,並且所獲得結果的可靠性被認為相當高。該研究本身發表在世界上最受尊敬的科學期刊之一上,因此其效果幾乎令人震驚。但即便如此,也無法完全排除錯誤。

差異的解釋

物理學家弗洛倫西亞·卡內利說:「如果這些發現在其他實驗中得到證實,這將是與物理標準模型的第一次嚴重差異,該模型描述了除重力之外的所有粒子和所有基本交互作用。」

與此同時,另一位物理學家馬蒂亞斯·肖特則從不同的角度看待這一點。他認為,需要更仔細地解釋由此產生的差異,因為「根據實驗數據生成 W 玻色子品質的測量結果是一個非常復雜的過程。」

物理學家早在 1983 年就知道了 W 玻色子的存在,當時它的重量為 85 個質子 (+/- 5%)。它參與大多數核反應,包括熱核融合。在對撞機中,粒子在衰變成緲子和微中子或電子亞型的過程中被記錄下來。在衰變過程中,粒子的大部份品質轉化為新粒子的能量。這是物理學家多年來一直試圖測量的。只是它們無法追蹤微中子的行為。因此,不可能說緲子或電子的能量的哪一部份與動量相關,哪一部份與品質相關。

根據現有的計算,物理學家預計 W 玻色子的重量為 80,357 兆電子伏特 (+/- 6 MeV)。 CDF值顯示為80,433 MeV正負9 MeV。

阿舒托什·科特瓦爾教授指出:「我認為這表明我們尚未完全了解弱核力或所有經歷這種力的粒子。」

初步成就

後來,同一個 CDF 協作物理學家決定重新分析獲得的值,只是使用不同的方法。對歐洲核子研究中心大型強子對撞機 ATLAS 實驗數據的分析采用了基於對衰變過程加深理解的統計方法。新結果與標準模型接近 16%。較低程度的不確定性使人對之前的結果產生懷疑。

這一次,物理學家關註的是 W 玻色子衰變成輕粒子時粒子碰撞過程中的那些過程。研究結果證實了 2017 年收集的觀測數據。現在事實證明,W 玻色子的重量為 80.360 吉電子伏。

然而,研究人員強調,在現階段的工作中,將所有這些結論稱為初步結論是正確的。他們的工作仍在繼續。現在需要根據新數據進行計算。如果標準模型突然錯誤地確定了 W 玻色子的品質,這將意味著宇宙中存在物理學家尚未發現的力和粒子。盡管現在看來,這個基本假說再次恢復了它的聲譽。