这项研究利用数百万次粒子碰撞的数据和先进的分析技术，成为理解宇宙基本成分的里程碑。粒子物理学的突破
2022 年，费米实验室 (CDF) 实验的对撞机探测器意外测量到了W玻色子，这是自然界中携带力的粒子之一。现在，大型强子对撞机紧凑型 μ 子螺线管实验的物理学家宣布了对 W 玻色子的新质量测量结果。
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相符，终于解开了多年的谜团。
精准与协作增强 W Boson 研究
最终分析使用了 2016 年 LHC 运行中收集的 3 亿 美国数据中的电话号码列表 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)，这与标准模型预测的 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。
“CMS 的新结果非常独特，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，”美国能源部费米国家研究实验室的杰出科学家、前 CMS 发言人帕蒂·麦克布莱德 (Patty McBride) 说道。“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融合，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。”
图片来源：CERN 的 Saskia Theresa Rodriguez
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，以核对数值。”提高基本粒子检测的精度
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子的粒子的专用传感器，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，”McBride 说道。“这是一项下一代实验。”
颗粒测量的挑战与创新
由于大多数基本粒子的寿命极短，科学家 就是为什么在任何类型的业务中拥有有效 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，”Bendavid 说道。“精度足够高，因此我们关心微小的扭曲和弯曲；即使它们小到只有人类头发的宽度。”对撞机实验的艺术与科学
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。”
长期致力于粒子物理研究
过去，物理学家在校准理论模型时，会用 Z 玻 eu 电话号码 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，仅使用真实的 W 玻色子数据来约束理论输入。
“我们之所以能够有效地做到这一点，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。”
参考文献：CMS 合作组织于 2024 年 9 月 17 日发表的“在√s= 13 TeV 的质子-质子碰撞中测量 W 玻色子的质量
” 。
紧凑型μ子螺线管 (CMS) 实验部分由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会资助。它是欧洲粒子物理实验室。
费米实验室是美国的主办实验室，有来自 50 团体的数百名 USCMS 物理学家参与，在探测器的建造和运行、着主导作用。
