欧洲核子研究中心的最新成果

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。

紧凑型μ子螺线管 (CMS) 是大型强子对撞机 (LHC) 上的通用探测器。它拥有广泛的物理项目,从研究标准模型(包括希格斯玻色子)到寻找可能构成暗物质的额外维度和粒子。CMS 探测器围绕一个巨大的螺线管磁铁建造。它采用超导电缆的圆柱形线圈的形式,可产生 4 特斯拉的磁场,约为地球磁场的 100,000 倍。该磁场被一个钢制“轭”所限制,该“轭”构成了该探测器 14,000 吨重量的主要部分。图片来源:CERN

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。”

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,测量值越精确。来源:基于 CMS 合作制作的图表。由费米实验室的 Samantha Koch 创建

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。”

CMS 实验副发言人、费米实验室高级科学家 Anadi Canepa 和费米实验室杰出科学家、前 CMS 发言人 Patty McBride 是 CMS 合作项目的领导者,自 2022 年以来一直与分析团队密切合作。
图片来源:CERN 的 Saskia Theresa Rodriguez
测量技术的进步

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

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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。

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