CMS实验在一项重要的科学成就中，以极高的精确度验证了W玻色子的质量，与标准模型的预测完全一致。

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，标志着理解宇宙基本构成方面的一个重要里程碑。

粒子物理学的突破

2022年，费米实验室（Fermilab）的粒子对撞机探测器实验对W玻色子（自然界中的载力粒子之一）进行了意外的测量。现在，大型强子对撞机上的紧凑型μ子螺线管实验的物理学家宣布了W玻色子新的质量测量值。

这项新的测量是CMS实验中的首次尝试，它采用了一种新技术，使这项研究成为迄今为止对W玻色子质量的最详尽研究。经过近十年的分析，CMS发现W玻色子的质量与预测相符，终于解开了一个长达数年的谜团。

精确度和协作增强W玻色子研究

最终分析使用了LHC 2016年运行中收集的3亿个事件和40亿个模拟事件。从该数据集中，研究小组重建并测量了超过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。他们还进行了另一项分析，以交叉检查理论假设。

“新的CMS结果因其精确度和我们确定不确定性的方式而独具特色，”美国能源部费米国家实验室杰出科学家、前CMS发言人帕蒂·麦克布莱德说。“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。我们站在他们的肩膀上，这也是我们能够在这项研究中取得重大进展的原因之一。”

揭开宇宙亚原子平衡的神秘面纱

自1983年发现W玻色子以来，来自10个不同实验的物理学家测量了其质量。

W玻色子是标准模型的基石之一，标准模型是描述自然界最基本层面的理论框架。对W玻色子质量的精确理解使科学家能够绘制出粒子和力（包括希格斯场的强度和电磁力与弱力的合并，它负责放射性衰变）之间相互作用的地图。

“整个宇宙都是一个微妙的平衡行为，”CMS实验的副发言人、费米实验室的高级科学家阿纳迪·卡内帕说。“如果W玻色子的质量与我们的预期不同，那么可能就有新的粒子或力量在起作用。”

测量技术的进步

新的CMS测量精度为0.01%。这一精度相当于测量一支4英寸长的铅笔，其长度在3.9996英寸至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，其质量小于单个银原子。

卡内帕补充道：“这项测量非常难以完成，我们需要从多个实验中获取多个测量值来交叉验证该值。”

提高基本粒子检测的精度

与其他进行此类测量的实验相比，CMS实验因其紧凑的设计、专门用于基本粒子（称为μ子）的传感器，以及一个能在带电粒子穿过探测器时弯曲其轨迹的极强螺线管磁铁而独具特色。

“CMS的设计使其特别适用于精确的质量测量，”麦克布莱德说。“这是一个下一代实验。”

粒子测量的挑战与创新

因为大多数基本粒子都极其短命，所以科学家通过计算它们衰变后所有产物的质量和动量来测量它们的质量。这种方法对Z玻色子这样的粒子很有效，Z玻色子是W玻色子的“表亲”，衰变成两个μ子。但W玻色子却带来了一个巨大的挑战，因为它的一个衰变产物是一个叫做中微子的微小基本粒子。

“中微子是非常难以测量的，”麻省理工学院参与这项分析的科学家乔希·本达维德（Josh Bendavid）说。“在碰撞机实验中，中微子无法被探测到，所以我们只能得到一半的信息。”

只掌握了一半的信息，就意味着物理学家们需要发挥创造力。在对真实的实验数据进行分析之前，科学家们首先模拟了数十亿次的LHC碰撞。

本达维德说：“在某些情况下，我们甚至需要对探测器上的小变形进行建模。”“我们关心的是微小的扭曲和弯曲，因为精度已经足够高；即使它们小到只有人类头发丝的宽度。”

对撞机实验的艺术和科学

物理学家还需要许多理论输入，例如质子在碰撞时内部发生了什么，W玻色子是如何产生的，以及它衰变前是如何运动的。

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，曾使用Z玻色子作为W玻色子的替代品。虽然这种方法有很多优点，但也给这一过程增加了一层不确定性。

加州大学洛杉矶分校的研究员兼分析师之一埃丽莎贝塔·曼卡说：“Z玻色子和W玻色子是兄弟，但不是双胞胎。物理学家在从Z玻色子推断出W玻色子时，需要做一些假设，而这些假设仍在讨论中。”

为了降低这种不确定性，CMS的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玻色子数据来限制理论输入。

本达维德说：“我们能够有效地做到这一点，要归功于一个更大的数据集、我们从早期的W玻色子研究中获得的经验，以及最新的理论发展。‘这使我们能够摆脱Z玻色子作为我们的参考点’。”

作为分析的一部分，他们还检查了来自知名粒子衰变的 1 亿条轨迹，以重新校准 CMS 探测器的大部分区域，直到其精确度提高了一个数量级。

“这种新的精确度将使我们能够更准确地处理关键测量，例如涉及W、Z和希格斯玻色子的测量，”曼卡说。

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探测器有极其深入的了解。

“我最初是以暑期学生的身份开始这项研究的，现在我已经是博士后第三年了，”曼卡说。“这是一场马拉松，而不是短跑。”

参考：“在质心能量为13 TeV的质子-质子碰撞中测量W玻色子质量”由CMS合作组完成，2024年9月17日。

紧凑型μ子螺线管(CMS)实验部分资金由能源部科学办公室和国家科学基金会提供。它是欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上的两个大型通用实验之一。

费米实验室是美国的主办实验室，为来自50多个大学团体的数百名USCMS物理学家提供便利，并在探测器建设和运营、计算和软件以及数据分析方面发挥领导作用。