欧洲核子研究中心的 CMS 实验评估了 W 玻色子的质量

欧洲核子研究中心的 CMS 实验是最新对 W 玻色子质量进行测量的实验。W 玻色子是一种基本粒子，它与 Z 玻色子一起传递弱力，产生一种放射性并引发为太阳提供能量的核聚变反应。

在 9 月 17 日于欧洲核子研究中心举办的研讨会上，CMS 合作小组报告了如何分析大型强子对撞机(实验室的旗舰粒子加速器)第二次运行的质子- 质子碰撞数据，从而对这种基本粒子进行首次质量测量。

该结果是迄今为止在 LHC 上对 W 质量进行的最精确测量，并且与粒子物理标准模型的预测以及所有之前的测量结果一致，除了在费米实验室的前质子-反质子 Tevatron 对撞机中进行的 CDF 实验的测量结果。

在标准模型中，W 质量与统一电磁力和弱力的相互作用强度以及希格斯玻色子和顶夸克的质量密切相关，这将其值限制在 80,353 百万电子伏特 (MeV) 以内，不确定度为 6 MeV。

因此，高精度测量 W 玻色子的质量可以测试这些属性是否都符合标准模型。如果不符合，则原因可能是新物理现象，例如新粒子或相互作用。

自从 40 年前在欧洲核子研究中心 (CERN) 发现 W 玻色子以来，CERN 和其他地方的几项对撞机实验已经对 W 玻色子的质量进行了更精确的测量。2022 年，CDF 实验测得的 W 玻色子质量值出人意料地高，使该粒子陷入了“中年危机”。CDF W 玻色子的质量为 80,433.5 MeV，不确定度为 9.4 MeV，与标准模型预测和其他实验结果存在显著差异，需要进行更多研究。

2023 年，ATLAS 合作组织(该组织于 2017 年首次测量了 W 玻色子的质量)发布了一项改进的测量结果，该结果基于对 LHC 首次运行的质子-质子碰撞数据的重新分析。改进后的结果为 80,366.5 MeV，不确定度为 15.9 MeV，与除 CDF 测量之外的所有先前测量结果一致，CDF 测量结果至今仍是最精确的，精度为 0.01%。

CMS 实验现已通过首次 W 玻色子质量测量为这项全球努力做出了贡献。备受期待的结果为 80,360.2，不确定度为 9.9 MeV，其精度与 CDF 测量相当，并且与除 CDF 结果之外的所有先前测量结果一致。

“等待 CMS 结果的日子已经结束了。在仔细分析了 2016 年收集的数据并进行了所有交叉检查后，CMS W 质量结果已经出炉，”即将离任的 CMS 发言人 Patricia McBride 表示。“这次分析是在 LHC 运行第二阶段的严酷碰撞环境中首次尝试测量 W 质量。团队的所有辛勤工作都带来了极其精确的 W 质量测量结果，也是 LHC 上最精确的测量结果。”

即将上任的 CMS 发言人 Gautier Hamel de Monchenault 解释说： “W 质量测量非常具有挑战性，涉及对 W玻色子的产生及其衰变为轻子(这里是μ子)和逃脱探测的中微子的精细测量和理论建模。”

“通过利用 CMS 探测器高精度测量μ子的能力，并使用最新、最先进的理论成分(其中一些经过交叉检验分析)，我们达到了这一创纪录的精度水平。”

这一结果再次展示了 LHC 及其探测器的卓越性能，它们继续推动精度前沿，并对标准模型及其扩展进行了更严格的测试。来自正在进行的第三次对撞机运行及其升级版高亮度 LHC 的进一步数据有望进一步推动这一前沿。