科技日報記者 張佳欣
當基本粒子的質量測量結果偏離理論預測時，往往可能動搖現有理論體系。不過，歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）上一項最新的高精度實驗結果顯示，W玻色子的質量與標準模型重新達成一致，為基礎理論提供了重要支持。相關成果發表于最新一期《自然》雜志。
W玻色子是傳遞弱相互作用的基本粒子之一，而弱相互作用是自然界四種基本作用力之一。這種作用力使粒子能夠發生“身份轉換”，例如質子可以轉變為中子，反之亦然。正是這種轉變驅動了放射性衰變，也使得為太陽提供能量的核聚變反應成為可能。
此次研究中，由美國麻省理工學院參與的緊湊繆子線圈探測器（CMS）國際合作組，對LHC在2016年產生的超過10億次質子碰撞數據進行了分析。對撞機運行時，質子碰撞的頻率高達每25納秒一次。研究團隊從這一年產生的數十億次碰撞中，篩選出約1億次涉及壽命極短的W玻色子的事件，并通過分析其衰變產物來反推出該粒子的質量。
由于W玻色子的壽命極短，僅約10-24秒，無法被直接觀測。它通常會迅速衰變為一個繆子（μ子）和一個中微子。其中，中微子幾乎不與物質發生相互作用，難以被探測，因此科學家只能通過精確測量μ子的運動狀態，并結合理論模型推算W玻色子的質量。
研究團隊利用LHC上的CMS，對W玻色子衰變產生的μ子能量和動量進行高精度測量。由于帶電μ子在強磁場中會沿彎曲軌跡運動，據此可推算其動量，并還原粒子碰撞信息。同時，團隊還構建了約40億個模擬碰撞事件，并與真實數據進行比對，以進一步提高測量精度。
最終，研究團隊測得W玻色子的質量為80360.2±9.9兆電子伏（MeV），這一結果與標準模型的理論預測相符。
值得注意的是，美國費米國家加速器實驗室CDF實驗組，在2022年曾公布過一項精度極高的W玻色子質量測量結果，其數值明顯高于標準模型預測，一度引發物理學界對“新物理”的廣泛討論，例如是否存在尚未發現的基本粒子或相互作用機制。
而此次CMS實驗結果不僅具有與CDF測量相當的精度，而且與標準模型及其他多項實驗結果保持一致，這使得科學界普遍認為標準模型依然是描述基本粒子及其相互作用的可靠理論框架。
