精确质量

正在围绕原子核旋转的电子(示意图)　　德国科学家宣布对电子质量做出了迄今为止最精确的估算，精度比目前采用的数据提高了13倍。研究人员称，该成果对基础物理研究具有重要价值，为科学家探索物质世界提供了一个更为精确的工具。相关论文发表在19日出版的《自然》杂志上。　　电子是构成原子的基本粒子之一，在原子中围绕原子核旋转，带负电，质量极小。1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫· 汤姆逊在稀薄气体放电的实验中首次证明了电子的存在，并测定了电子的荷质比(带电体的电荷量和质量的比值)。　　据物理学家组织网2月20日(北京时间)报道，德国马克斯普朗克核物理研究所的斯文· 斯特姆和他的团队通过使用一种名为&ldquo 彭宁离子阱&rdquo 的装置，测到电子的精确质量为0.000548579909067原子质量单位，比2006年国际科技数据委员会采用的电子质量精确了13倍。　　&ldquo 彭宁离子阱&rdquo 是一种能够在足够长的时间内&ldquo 囚禁&rdquo 少量带电原子或电子的电磁设备，借助它研究人员能够对电子的性质进行空前精确的测量。原子质量单位是用来衡量原子或分子质量的基本单位，被定义为碳-12原子质量的1/12。　　斯特姆的团队将一个质量已知的参考离子与被其束缚的一个电子一起&ldquo 关入&rdquo 彭宁离子阱，通过测定两者的总质量，得到了电子的质量。　　研究人员称，这项成果将物理学的实验精度提高到了一个新的水平，为未来重大物理实验和标准模型的精准测试打下了基础。

11月30日，据《科学》报道，美国佛罗里达州立大学原子物理学家Edmund Myers和David Fink将两个离子限制在一个电磁陷阱中，让它们连续转动数周，并以极高的精度比较它们的质量。随后，他们得出了迄今为止最精确的质子质量估值：1.007276466574±10-12 amu（原子质量单位）。这串数字可能帮助科学家寻找到新的力。相关研究结果发表于《物理评论快报》。　　为确定轻原子核（如质子）质量，科学家运用物理学方法，将质子这样的带电粒子垂直射入磁场，磁场会将其推向一边，这样质子就会以显示粒子质量的频率旋转。在实践中，为了提高测量精度，物理学家通过比较两种不同粒子的频率以测量它们的质量比。　　例如，在2020年，Myers和Fink测量了氘核（由一个质子和一个中子组成的原子核）和一个电离氢分子（由两个化学结合的质子组成）的质量比。这两个粒子具有相同的电荷和几乎相等的质量，所以它们以几乎相同的频率运行，增加了测量的精度。　　为了使氘核和氢离子在相同的条件下运行，Myers和Fink把它们放在同一个电磁陷阱中，并持续数周。他们将其中一个放置在一个直径4毫米的大轨道上，另一个在陷阱中心40微米的轨道上旋转，每10分钟交换一次。然而，即使是这种技术也不足以确保两个粒子的测量结果是完全可比的。Myers说：“在这10分钟内，磁场会发生变化。”　　现在，Myers和Fink已经解决了这个问题。他们重现了麻省理工学院20年前开发的技术，同时旋转氘核和陷阱中心的氢离子。研究人员将离子频率的精度提高了4倍，利用一些理论结果，他们能够确定氘核与质子的质量比为万亿分之四点五。　　最后，为了估计质子的质量，Myers和Fink将他们的测量比率与德国马克斯普朗克核物理研究所去年发表的一项对氘核质量极其精确的测量结果相结合。新的质子质量估计的不确定性是国际科学理事会数据委员会官方平均值的1/5。　　然而，该结果还不能为质子质量设定一个新的值。Myers和Fink利用电子束从氢分子中撞击出一个电子，从而产生了被捕获的氢离子。这个剧烈的过程使离子带着内部能量振动和旋转。根据量子力学，离子的振动能量或转动能量的量是离散的。当离子每次辐射出振动能量时，实验者可以观察到它的质量在下降。但为了估计它每一步的转动能是多少，Myers和Fink依赖于理论的推论，这带来了一些不确定性。　　未参与该研究的中央密歇根大学核物理学家Matthew Redshaw说，即使存在一些不确定性，但数据表明，他们估计的质子质量已经是迄今最精确的值。　　荷兰阿姆斯特丹自由大学原子和分子物理学家Jeroen Koelemeij介绍，其团队正在使用激光创造和捕获已知振动和旋转状态下的氢离子。这项技术可能会与Myers和Fink的方法相结合，以减少不确定性。

费米实验室的对撞机探测器记录了1985年至2011年间由Tevatron对撞机产生的高能粒子碰撞情况。来自23个国家54个机构的约400名科学家仍在研究该实验收集的大量数据。图片来源：费米实验室4月7日，《科学》以封面文章的形式刊发一项重要成果：美国费米实验室对撞机探测器（CDF）合作组的389位科学家，共同完成了迄今为止对W玻色子质量的最精确测量，其精度达到了前所未有的0.01%。这一令全球实验与理论物理学家们振奋和激动的结果，可能将挑战粒子物理学的“标准模型”。在中国科学院理论物理研究所研究员于江浩看来，比结果更重要的是，这是“实验物理学家坚持在旧的金矿中挖掘、‘十年磨一剑’终于淘得的金子”。“旧的实验设备仍有获得新发现的能力和优势，只要坚持在正确的方向上，依然可以做出领先世界的成果。”于江浩告诉《中国科学报》。标准模型之上的追求基本粒子之间存在4种基本的相互作用：引力、电磁力、强力和弱力，每种相互作用都是由某一种媒介粒子传递的，它们被称为玻色子。在标准模型里，W玻色子就是一种传递弱力的媒介粒子。这里的W就是weak（弱）的缩写。2012年，著名的“上帝粒子”希格斯粒子的发现，标志着标准模型取得了极大的成功。标准模型也被称为粒子物理学的基本理论模型。“但是，标准模型不能解释什么是暗物质、什么是暗能量，也不能解释宇宙中物质与反物质的不对称。因此，它只是一定能量标度下的有效理论，也就是说必定存在更加普适的理论，这是粒子物理学所要追求的目标。”北京大学物理学院技术物理系研究员李强告诉《中国科学报》。也因此，寻找超出标准模型预言的“新”物理现象成为众多物理学家毕生追求的目标。李强进一步解释，寻找新物理通常有“直接”和“间接”两种途径，测量W玻色子的质量属于后者。通过精确测量W玻色子质量，科学家可以以之检验标准模型的自洽性，提供揭示可能的新物理迹象的重要途径。于江浩介绍，W玻色子质量是标准模型的重要基本参数，W玻色子质量的精确测量本身十分有意义。W玻色子质量经常被选为标准模型理论计算的输入参数，很多物理过程的预言敏感依赖于W玻色子质量的输入值。基于粒子物理标准模型的高度可预言性，W玻色子质量的改变牵一发而动全身，会影响到已有物理测量的自洽性。“W玻色子质量的精确测量是间接探测新粒子的一种手段，如果对其质量测量十分精确，就可能检测到某些新粒子、新物理产生的影响。”于江浩说。“最精确的测量”“我们知道，W玻色子的质量十分重要，因为其直接影响了原子核弱衰变，以及太阳中轻核聚变的速率。如果其质量远轻于80倍的质子质量，那么太阳的寿命就会比现在短很多，甚至可能已燃烧殆尽。”于江浩表示。W玻色子的质量精度是如何一步步提高的？1983年，研究人员在欧洲核子中心的SPS质子反质子对撞机上发现了W玻色子，第一次测量显示其质量为80.4GeV（10亿电子伏特）左右，误差为0.8。美国费米实验室的Tevatron质子反质子对撞机基于部分结果数据，在2012年公布结果，误差为0.016。从上世纪90年代开始，欧洲核子中心的大型正负电子对撞机持续改进W玻色子的质量测量精度，在2013年将误差缩至0.033。2010年以来，欧洲核子中心的大型强子对撞机实验持续开展W玻色子的质量测量工作，但精度提高得并不多。“W玻色子的质量精确测量是所有对撞机实验上的旗舰式课题, 需要对探测器、物理对象重建、软件计算、理论预言等有很深刻的理解和掌控。”李强表示。直到近日，美国费米实验室CDF合作组分析了对撞机在2002年至2011年间第二轮运行时的所有数据，得到了W玻色子质量目前最精确的测量（80.4335 +- 0.0094 GeV），其精度达到了前所未有的0.01%。“这是非常精确的结果。”于江浩介绍，需要对实验误差（比如丢失能量等的测量精度）进行进一步控制，同时大大降低部分子分布函数的误差等——这直接影响横向动量的分布——计算到很高的精度，这些CDF都做到了。于江浩进一步表示，虽然此次测量结果与2012年的测量结果相比偏离不大，但是由于误差的极大压低，测量的结果比标准模型的预期结果（80.357 +- 0.006 GeV）偏离高了7个标准偏差。“在粒子物理领域，通常高于5个标准偏差就意味着确信和现有理论不符合，这是这个实验结果让很多人激动的原因。”于江浩说。偏差是如何产生的？于江浩说，这一偏差有可能是超出标准模型的新物理引起的，但是由于这一偏差体现在W玻色子质量的高阶修正上，新物理的效应只是间接体现，因此无法直接敲定是何种新物理。此外，实验的系统误差、部分子分布函数因子化误差、非微扰的理论输入的模型依赖依然存在；标准模型的预期主要是来自于电弱整体拟合，这一理论拟合也许存在偏差。“所以虽然偏离达到7个标准偏差，对其是否是新物理的贡献仍需持谨慎态度，需要通过减小实验和理论误差以及其他实验比如LHC来进一步验证，以确定是否是由新物理导致的，并且从相关新物理的直接寻找来排除一部分可能的新物理。”于江浩表示。“旧矿”淘得真“金子”这是在一台已经拆除的仪器上作出的成果。事实上，2011年，Tevatron实验装置在关闭后逐渐被拆除，很多实验物理学家投入到了新仪器LHC的怀抱，希望在新的金矿中淘金。于江浩曾于2012年访问费米实验室，参观了即将拆解的实验装置。他问道，“CDF实验组成员还剩多少？”“很大一部分都去做LHC物理的分析了，只有少量实验物理学家还在整理目前的数据。”费米实验室科研人员有些“悲壮”地告诉他。而10年之后，CDF的研究结果“一鸣惊人”。这也让于江浩意识到，还是有一部分物理学家选择继续在旧的金矿中挖掘，终于淘得金子，真的是“十年磨一剑”。这种坚持，连同实验和理论物理学家紧密无私合作的科学精神，都非常值得学习。目前，我国也有一些科学家在LHC和未来对撞机的多玻色子物理研究上作出了一系列重要的原创性贡献。李强介绍，2012年，我国科学家首先提出高能环形正负电子对撞机方案（CEPC）。环形对撞机造价较低，却能在240GeV能区达到更高的亮度，并能产生大量W、Z粒子来精确检验标准模型。因此，环形对撞机对于研究希格斯粒子与精确检验标准模型更具优势。未来，CEPC与欧洲核子中心未来环形对撞机的项目，均计划在91GeV的对撞能量（Z pole）以及W玻色子对的质量阈值附近取数，用于电弱物理的精确测量，将大大改进W玻色子质量测量精度。“我希望自己能坚持在一个领域做到极致。”于江浩一直记得著名W玻色子理论研究工作者、美国密歇根州立大学教授袁简鹏告诉他的话——“一个理论家等到退休的时候，一定要能留下比较坚实的工作，而不应该一直盲目追逐热点。”相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abk1781