W玻色子超重了

原子是可以再分的

宇宙是由什么组成的？2400多年前，古希腊自然哲学家德谟克利特解释说，宇宙就是物质加虚无，其中，物质是由名为原子的最小单位组成的，而原子不可分割。到了19世纪末期，经典物理学体系已经建立：小如原子，大如天体，解释宇宙万物的理论似乎已经完备。

19世纪后半叶起的一连串发现，推开了现代物理学的大门。1865年，麦克斯韦提出了颠覆性的“麦克斯韦方程组”，证明了电力和磁力都是电磁波产生的。1895年，德国物理学家伦琴首次发现了肉眼无法看见的X射线。1896年，受伦琴启发，法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射现象。

随着人们对物质认识的不断深入，更加离奇的发现接踵而来。1900年，德国科学家普朗克提出的“量子理论”，揭示了微观世界的奇异特性。1915年，爱因斯坦提出著名的广义相对论，揭示了物质和时空的相互作用。1923年，法国科学家德布罗意提出了物质的“波粒二象性”理论：物质既是粒子又是波。1927年，在薛定谔、波恩、狄拉克等科学家的共同努力下，量子力学形成了逻辑自洽、概念完整的理论体系。1938年，暗物质的存在得到确认。得益于20世纪上半叶物理学的一系列突破，人类对宇宙的构成有了全新的认识：物质和能量是等价的，量子世界遵循的规律和宏观世界大相径庭。1998年，暗能量（能量即物质）的存在被确认。自此，人类才知道我们能够看到、摸到的物质只不过占宇宙物质总量的5%。

标准模型——基本粒子“寻找手册”

1990年成型的“标准模型”，被认为是最有可能解释组成宇宙万物的基本粒子的理论。这些基本粒子有的当“砖块”，有的当“混凝土”，还有的为其他粒子赋予质量。标准模型完美统一了三种基本作用力：电磁力、强力和弱力。唯有引力，标准模型无法解释，但无论如何，标准模型已经是人类目前掌握的关于宇宙本质的最完备的理论。

标准模型预测了组成万物的基本粒子，包括6种夸克（构成中子和质子的基本粒子）、6种轻子（例如电子）、传递三种基本作用力的4类基本粒子，以及赋予所有粒子质量的核心粒子——希格斯玻色子。自从标准模型问世以来，它就如同一本“基本粒子寻找手册”，不断指导科学家发现新的基本粒子。

根据标准模型，力由粒子传递。20世纪60年代，通过一系列新理论和创新实验，科学家提出传递弱力（主导衰变的力）的粒子是W玻色子和Z玻色子。1983年，欧洲核子研究组织开展的两次实验，成功记录下了W玻色子存在的首个证据。测量结果表明，一个W玻色子的质量相当于85个质子的总质量。2012年，标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子被找到，标志着标准模型预测的所有基本粒子都已经被发现，并且对这些基本粒子质量的测量结果也和标准模型预测的质量相符。

加速器验证标准模型

有了理论，自然就要验证，位于美国芝加哥的费米实验室是验证标准模型的重要机构之一。费米实验室位于芝加哥郊外一片玉米地的地下深处，其中的“兆电子伏特加速器”曾经是世界上最强大的加速器。在玉米地下方9米处，细长的金属管道围成一个周长约6.4千米的加速器轨道，轨道周围排布着1000台超导磁体，负责将质子和反质子加速到接近光速。质子和反质子以极高的速度面对面相撞，然后粉身碎骨，在这过程中，W玻色子会偶尔现身，并瞬间衰变成更轻的粒子。在运行期间，兆电子伏特加速器每秒钟会产生数亿次质子—反质子对撞。在最极端的情况下，质子和反质子对撞能产生4万亿摄氏度的高温。

为什么加速器需要兆电子伏特级别的能量呢？这是因为，量子力学告诉我们，测量的物质越小，所需要的能量就越高。1电子伏特的能量足以研究电子，但如果要研究比电子更小的夸克，就需要100亿电子伏特以上的能量。

CDF：探测神秘W玻色子的庞然大物

不过，撞出W玻色子的难度是巨大的。利用美国费米实验室兆电子伏特加速器，科学家让高速对向运动的质子和反质子进行碰撞，每1000万次碰撞才能撞出1个W玻色子。然而，W玻色子只能存在一瞬间，诞生后转瞬就衰变。

在圆形加速器的其中一段，安装有一台高3层楼、重5000吨的CDF探测器，200多位科学家和200多位工程师花了8年时间才将其完全组装到位并调试成功。借助这个庞然大物，物理学家才知道加速器里发生了什么。

最精准的测量

2001—2011年，费米实验室进行了500万亿次质子—反质子对撞，制造出了约400万个W玻色子，每次对撞产生的数据都被CDF详尽地记录下来。

2012年，费米实验室公布了W玻色子质量的初步计算结果，科学家认为，这个结果虽然和标准模型预测值稍有偏差，但基本吻合预测值。接下来，CDF团队开始了漫长且艰辛的数据分析工作，无数次的内部验算和没完没了的计算机模拟，都是为了保证最终结果的精确性。

经过上万亿次的碰撞和十多年漫长的数据收集及大量的数学计算，CDF团队发现W玻色子的质量比标准模型的预测值略高。如果这个测量结果无误，那么科学家将不得不怀疑物理学还有尚未发现的隐藏规律。

CDF团队最终公布了他们测量出的W玻色子的精准质量：80433.5 MeV±9.4 MeV，比根据标准模型预测的W玻色子质量高了约70 MeV。在粒子物理中，常将基本粒子的质量换算为能量，并以能量单位MeV（电子伏特）反映它们的质量大小。70 MeV的偏差不到标准模型预测值的0.1%，这个偏差看似很小，但如果标准模型正确无误，那么得出这个测量结果发生的概率仅为万亿分之一。这个概率有多小呢？比你一辈子天天中彩票特等奖的概率还小。科学家猜想，很可能是某种标准模型没有预测的基本粒子导致了这个误差。

还不是最终结果

既然W玻色子质量和标准模型预测值不符，那么，要么是测量错了，要么是计算错了， 或者，也有可能是标准模型错了。既然目前已经排除了测量错误和计算错误的可能性，剩下的唯一可能就是标准模型错了。

这次对W玻色子质量的测量让科学家意识到，世界上可能存在未知的物理规则。这让科学家兴奋——人类可能需要编织新的物理理论，毕竟科学进步就是不断打破旧理论并建立新理论的过程。