物理学界悬着的心放下了!W玻色子新测质量与标准模型高度一致

2026年04月13日22:43:14 科学 1497

尽管标准模型与广义相对论因对引力的描述不同,而存在兼容问题,但标准模型仍然是目前最可靠的物理理论之一,它能很好地描述基本粒子以及电磁力、强核力和弱核力这三种基本相互作用。该理论所做出的许多预测都已被证实,例如,与基本粒子质量起源有关的希格斯玻色子,关于它存在的预言,已经于2012年被欧洲核子研究中心通过实验观测证实。

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据2026年4月发表在《自然》杂志上的论文显示,欧洲核子研究中心CMS(紧凑缪子线圈探测器)合作组的科学家通过对W玻色子质量的高精度测量,让标准模型理论再一次得到强有力的检验。

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在标准模型中,传递弱相互作用力的媒介粒子有两种,一种是Z玻色子,另一种便是W玻色子。

其中,Z0玻色子呈电中性,W±玻色子则带一个单位正电荷或负电荷。“质子与中子相互转化”等核衰变现象就与它们有关。它们于1983年被欧洲核子研究中心的科学家发现,其质量与电弱统一理论的预言高度吻合,直接验证了标准模型的正确性,相关发现者也因此获得了1984年诺贝尔物理学奖。

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这两种粒子的质量均很大,且寿命极短。其中,W玻色子的平均寿命约3.1×10^-25秒,诞生瞬间便会衰变为其它粒子,以目前的技术还无法直接观测。为了获得W玻色子的质量,研究团队选择了间接测量,即通过分析W玻色子的衰变产物来反推出该粒子的质量。

W玻色子存在“轻子对衰变”和“夸克对衰变”两大衰变通道。由于夸克对衰变会因色禁闭产生强子化喷注现象,干扰探测,因此轻子对衰变更适合用于W玻色子质量的间接测量,而在轻子对衰变通道上,又以缪子(μ子)衰变路径更适合用于测量。

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在W±玻色子所有衰变路径中,有大约10.8%的几率衰变为“缪子-反缪中微子”对或“反缪子-缪中微子”对。

缪子质量(约105.66MeV)大约是电子质量(约0.511MeV)的207倍,带一个单位电荷。虽然它也会衰变,但平均寿命约2.19微秒,可比W玻色子的寿命长得多,再加上高能缪子运动速度接近光速,粒子寿命因狭义相对论效应得以延长,因而足以让科学家对其进行有效测量。

然而,与之对应的缪中微子(ν_μ子)则极难探测,在实验中通常无法被直接观测。不过,因为缪中微子的质量不超过 0.17 MeV,远小于测量误差,所以在测量W玻色子质量时可以忽略。

研究团队分析了大型强子对撞机(LHC)于2016年产生的超10亿次质子碰撞数据,对其中约1亿次W玻色子衰变事件中缪子的能量动量数据进行了分析,最终结合理论模型和数十亿次计算机模拟,反推出了W玻色子的质量。

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标准模型预测的W玻色子质量为80357±6MeV。论文显示,CMS最新测得的W玻色子质量为80360.2±9.9MeV,这与理论预测高度一致,仅相差约3MeV,且测量精度极高,因而再一次强有力地证明了标准模型理论的可靠性!

普遍认为,质能守恒是客观世界中永恒不变的底层规律!因此,如果基本粒子的质量测量结果偏离理论预测,就有可能动摇现有理论体系。

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2022年,美国费米国家实验室CDF实验组公布了一项测量精度极高的W玻色子质量结果,该结果基于Tevatron对撞机2002到2011年的数据,分析了约420万个W玻色子衰变事件,可因测量结果为80433.5±9MeV,较理论预测值显著偏高,高出约76MeV,一度让科学家怀疑可能还存在尚未被发现的基本粒子或者相互作用机制,现在新的测量结果打消了此前的疑虑。

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事实上,标准模型理论之所以能为全球科学界所公认,成为粒子物理的基石,就是因为其不是空中楼阁般的理论,而是建立在诸多高精度、严谨的实验之上,诸多理论预测与实验观测结果高度一致,能够不断被实验所检验,能够经得起检验。

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