近日，在费米实验室的对撞机探测器（CDF）实验在2022年进行了一项意外的测量之后，欧洲大型强子对撞机（LHC）紧凑型缪子螺线管（CMS）研究团队的物理学家们宣布对W玻色子进行了新的质量测量，它是自然界的四种基本力之一，弱相互作用的媒介粒子。这项新的测量是CMS实验的首次尝试，它采用了一种新技术，使其成为迄今为止对W玻色子质量最详尽的调查。在经过近十年的分析后，科学家们通过紧凑型缪子螺线管（CMS）实验的新结果最终确认W玻色子的质量与预测一致，至此一个困扰科学家多年的谜团终于被解开。
科研团队最终的分析使用了从2016年大型强子对撞机（LHC）运行期间收集的3亿次事件以及40亿次模拟事件。根据这个数据集，该团队重建了超过1亿个W玻色子的质量，然后测量了它们的质量。他们发现W玻色子的质量为80360.2 ± 9.9 兆电子伏特（MeV），这与标准模型给出的 80357 ± 6 MeV的预测结果一致。他们还进行了一项单独的分析，对理论假设进行了交叉验证。
“新的CMS结果是独一无二的，因为它的精度和我们确定不确定性的方式是一样的，”美国能源部费米国家研究实验室的杰出科学家、前CMS发言人帕蒂·麦克布莱德（Patty McBride）表示。“我们从CDF和其他研究W玻色子质量问题的实验团队中学到了很多东西。我们站在他们的肩膀上，这就是我们能够将这项研究的进展向前迈出一大步的原因之一。
自1983年发现W玻色子以来，物理学家在10个不同的实验中测量了它的质量。
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描绘粒子和力的相互作用，包括希格斯场的强度以及电磁力与弱力的合并，这是导致放射性衰变的原因。
“整个宇宙都是一个微妙的平衡系统，”CMS实验的副发言人、费米实验室的高级科学家Anadi Canepa表示。“如果W玻色子的质量与我们预期的不同，则可能会有其它尚未发现的媒介粒子或弱相互作用力在起作用。”
新的CMS测量精度达到0.01%。这个精度水平相当于测量一支4英寸长的铅笔，结果在3.9996到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，其质量甚至小于一个银原子的质量。
“这种测量非常困难，”Canepa补充道。“我们需要来自多个实验的多次测量来交叉检查这个数值。”
CMS实验之所以与其他进行这项测量的实验不同，是因为其紧凑的设计、专门用于探测被称为缪子的基本粒子的传感器，以及一个极强的螺线管磁铁，它能够弯曲带电粒子穿过探测器时的轨迹。这些特点使得CMS在测量W玻色子质量方面具有独特的优势。
“CMS的独特设计使其十分适合进行精密质量测量，”麦克布莱德表示。“这将是我们全新一代的实验设施。”
因为大多数基本粒子的寿命都非常短暂，所以科学家们通过将它们衰变后的所有粒子的质量和动量相加来测量它们的质量。这种方法尤其适用于像Z玻色子这样的粒子，Z玻色子是 W玻色子的表亲，它会衰变成两个缪子。但对W玻色子的测量带来了很大的挑战，因为它的衰变产物之一是一种称为中微子的微小基本粒子。
“众所周知，中微子很难测量，”麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的科学家乔什·本戴维（Josh Bendavid）表示，他参与了这项分析。“在对撞机实验中，中微子未被检测到，因此我们只能处理一半的图片。”
只处理一半的图片意味着物理学家们需要更有创造力。在对真实实验数据进行分析之前，科学家们首先模拟了数十亿次的大型强子对撞机（LHC）的碰撞过程。
“在某些情况下，我们甚至不得不模拟探测器中的微小变形，”Bendavid 说。“要求精度必须足够高，以至于我们不得不关心微小的扭曲和弯转；即使它们小到只有人类头发丝的宽度。
物理学家还需要大量的理论输入，例如质子碰撞时内部发生了什么，W玻色子是如何产生的，以及它在衰变之前是如何移动的。
“弄清楚理论输入的影响是一门真正的艺术，”McBride表示。
过去，物理学家在校准他们的理论模型时使用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，但它也为这个过程增加了一层不确定性。
“Z和W玻色子是兄妹，但不是双胞胎，”加州大学洛杉矶分校的研究员、分析仪之一伊丽莎白·曼卡（Elisabetta Manca）表示。“物理学家在从Z玻色子外推到W玻色子时需要做一些假设，这些假设仍在讨论之中。”
为了减少这种不确定性，CMS研究人员开发了一种新的分析技术，该技术仅使用真实的W玻色子数据来限制理论输入。
“由于更大的数据集和我们从早期的W玻色子研究中获得的经验以及最新的理论发展，我们能够有效地做到这一点。” Bendavid表示，“这使我们能够不依赖于Z玻色子作为我们的参考粒子。”
作为这项分析的一部分，他们还检查了来自已知粒子衰变的1亿条轨迹，以重新校准CMS探测器的大部分参数，使其精度提高了一个数量级。
Manca表示：“这种新的CMS实验将使我们能够以更高的精度水平处理关键测量数据，比如涉及W玻色子、Z玻色子和希格斯玻色子的测量。
数据分析最具挑战性的部分是其需要耗费大量的时间，因为这种类型的数据分析需要创建一种全新的分析技术，并需要数据分析人员对CMS探测器有极其深刻的理解。
“我从暑期学生开始的这项研究，而现在我已经是博士后的第三年了，”Manca表示。“这是一场马拉松，而不是短跑。”
紧凑型缪子螺线管（CMS）实验部分由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会资助。这是欧洲粒子物理实验室（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上的两个大型通用实验之一。
费米实验室是美国主办的实验室，为来自50多个大学团体的数百名USCMS物理学家参与实验提供了便利，并在探测器的构建和运行、计算和软件以及数据分析等方面发挥着主导作用。
