CMS 实验的新结果揭开了 W 玻色子质量之谜
继 2022 年费米实验室对撞机探测器 (CDF) 实验进行意外测量后，大型强子对撞机 (LHC) 上的紧凑型μ子螺线管实验 (CMS) 的物理学家今天宣布了对自然界中载力粒子之一 W 玻色子进行质量测量的新结果。这是 CMS 实验的首次新测量，它采用了一种新技术，使其成为迄今为止对 W 玻色子质量最详尽的研究。经过近十年的分析，CMS 发现W 玻色子的质量与预测一致，终于解开了多年的谜团。
最终分析使用了 2016 年 LHC 运行中收集的 3 亿个事件和 40 亿个模拟事件。根据这个数据集，该团队重建并测量了超过 1 亿个 W 玻色子的质量。
他们发现 W 玻色子的质量为 80,360.2 ± 9.9 兆电子伏特 (MeV)，与标准模型预测的 80,357 ± 6 MeV 一致。他们还进行了单独的分析，以交叉检验理论假设。
美国能源部费米国家研究实验室杰出科学家、前 CMS 发言人帕蒂·麦克布莱德 (Patty McBride) 表示：“新的 CMS 结果非常独特，因为它非常精确，而且我们确定不确定性的方式也非常独特。”
“我们从 CDF 和其他研究 W 玻色子质量问题的实验中学到了很多东西。我们站在他们的肩膀上，这也是我们能够将这项研究向前推进一大步的原因之一。”
自1983年发现W玻色子以来，物理学家通过10个不同的实验测量了它的质量。
W 玻色子是标准模型的基石之一，该理论框架从最基本的层面描述了自然。精确了解 W 玻色子的质量可以让科学家绘制出粒子和力的相互作用，包括希格斯场的强度以及电磁力与弱力的合并，后者是放射性衰变的原因。
“整个宇宙都是一个微妙的平衡行为，”CMS 实验副发言人、费米实验室高级科学家 Anadi Canepa 表示。“如果 W 质量与我们预期的不同，则可能有新的粒子或力量在起作用。”
W 玻色子的质量测量结果与其他实验和标准模型预测结果的比较。点表示测量值，线的长度表示精度；线越短，测量越精确。来源：基于 CMS 合作制作的图表。由费米实验室的 Samantha Koch 创建
新的 CMS 测量精度为 0.01%。这种精度相当于将 4 英寸长的铅笔测量到 3.9996 到 4.0004 英寸之间。但与铅笔不同，W 玻色子是一种基本粒子，没有物理体积，质量小于单个银原子。
“这个测量非常难做，”卡内帕补充道。“我们需要通过多次实验进行多次测量，以核对结果。”
CMS 实验与其他进行过此类测量的实验不同，它采用紧凑的设计，配有用于测量被称为μ子的根本粒子的专门传感器，以及一个极强的螺线管磁铁，可以在带电粒子穿过探测器时弯曲其轨迹。
“CMS 的设计使其特别适合精密质量测量，”麦克布莱德说。“这是下一代实验。”
由于大多数基本粒子的寿命极短，科学家通过将它们衰变成的所有粒子的质量和动量相加来测量它们的质量。这种方法对像 Z 玻色子这样的粒子很有效，Z 玻色子是 W 玻色子的近亲，会衰变成两个μ子。但 W 玻色子带来了巨大的挑战，因为它的衰变产物之一是微小的基本粒子，称为中微子。
参与此项分析的麻省理工学院科学家乔希·本戴维德 (Josh Bendavid) 表示：“中微子测量起来非常困难。在对撞机实验中，中微子无法被探测到，因此我们只能利用一半的图像。”
只研究一半的数据意味着物理学家需要发挥创造力。在对真实实验数据进行分析之前，科学家们首先模拟了数十亿次 LHC 碰撞。
“在某些情况下，我们甚至必须模拟探测器中的微小变形，”本戴维德说。“精度足够高，以至于我们关心微小的扭曲和弯曲；即使它们小到像人的头发一样宽。”
物理学家还需要大量的理论输入，比如质子碰撞时内部发生什么，W 玻色子是如何产生的，以及它在衰变之前如何运动。
麦克布莱德说：“弄清楚理论输入的影响是一门真正的艺术。”
过去，物理学家在校准理论模型时，会用 Z 玻色子代替 W 玻色子。这种方法虽然有很多优点，但也为校准过程增加了一层不确定性。
“Z 和 W 玻色子是兄弟姐妹，但不是双胞胎，”加州大学洛杉矶分校研究员、分析员之一伊丽莎白·曼卡 (Elisabetta Manca) 表示。“物理学家在从 Z 推断到 W 时需要做出一些假设，这些假设仍在讨论中。”
为了减少这种不确定性，CMS 研究人员开发了一种新颖的分析技术，该技术仅使用真实的 W 玻色子数据来约束理论输入。
“我们之所以能有效地做到这一点，要归功于更大的数据集、我们从早期 W 玻色子研究中获得的经验以及最新的理论发展，”本戴维德说。“这让我们摆脱了以 Z玻色子为参考点的束缚。”
作为分析的一部分，他们还检查了 1 亿条已知粒子衰变的轨迹，以重新校准 CMS 探测器的大部分，直到其精度提高一个数量级。
曼卡说：“这种新的精度水平将使我们能够以更高的精度解决关键测量问题，例如涉及 W、Z 和希格斯玻色子的测量。”
分析中最具挑战性的部分是它的时间密集性，因为它需要创建一种新颖的分析技术并对 CMS 探测器形成极其深入的理解。
“我以暑期学生身份开始了这项研究，现在我已经是博士后的第三年了，”曼卡说。“这是一场马拉松，而不是短跑。”
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