微觀世界神秘莫測，從亞原子粒子的發現，到“上帝粒子”神秘面紗的揭開，都離不來粒子物理學。這門學科研究組成物質世界的基本單元以及這些基本單元如何構成我們的世界，提升人類對微觀物質和宏觀宇宙的認知;這門學科帶來的技術與我們息息相關，從WWW到核磁共振成像都離不開粒子物理學的發展。粒子物理學究竟研究哪些內容?中科院高能所副研究員、中國科學院大學青年教師張昊《書說粒子》，由淺入深帶你了解這門學科及其背后的故事。
梁志均
北京時間2022 年 4 月 8日凌晨，美國費米國家加速器實驗室公布Tevatron質子-反質子對撞機CDF實驗組對W玻色子質量的最新測量結果，并在《Science》雜志上正式發表。在新結果中，CDF合作組利用完整的CDF II數據測量得到W玻色子質量為80433.5 ±9.4 MeV。該測量實現了前所未有的實驗精度，超過百萬分之120，比之前的實驗測量精度提高了兩倍[1]。在如此高的精度 下，CDF實驗對W玻色子質量的測量值比理論預測值高出7倍標準偏差[1]。
圖1：CDF II數據測量最新的W玻色子質量與以前的實驗測量和標準模型理論預測值對比。
《Science》雜志評論：“這可能是新相互作用或新粒子的特征，這些粒子要么因為質量太重而無法產生，要么太難在現有的加速器上檢測到。”[2]
W玻色子是弱相互作用的傳遞子，它的質量是粒子物理標準模型電弱物理中的最關鍵的觀測量之一。在標準模型中，W玻色子質量的高階修正項包含了其他粒子與W玻色子的相互作用(如希格斯玻色子)。如果有新粒子與W玻色子發生新的未知相互作用，會使W玻色子的質量偏離標準模型的預測值。一些新物理模型預測的新物理能標要比當前對撞機能量高，是無法在實驗上被直接探測到的，因而，只能通過與W玻色子的相互作用和W玻色子質量的精確測量來間接檢測。
圖2：《Science》雜志封面故事圖片
《Science》雜志評論道：CDF實驗最新結果為標準模型關鍵參數的實驗測量注入了新的動力。Tevatron上D0實驗也可能重新加入W玻色子質量測量的競爭，分析大型強子對撞機上已收集的的實驗數據也有望得到更高測量精度。粒子物理未來對撞機項目提案中，中國粒子物理學家所提出的高能環形正負電子對撞機(CEPC)和歐洲核子中心提出的未來環形對撞機(FCC-ee)都預期能把目前W玻色子質量的測量精度提高10倍[2]。屆時，將有望確定目前W玻色子的質量測量值偏離預測值是否由新物理引起，并可能揭示出尋找超出標準模型的新物理的重要性質。
