发表在《自然》杂志上的一篇论文显示，包括麻省理工学院物理学家在内的国际团队，报告了对W玻色子质量的超精确测量结果，为科学家理解宇宙核心组成部分提供了新依据。
W玻色子是构成弱相互作用的两种基本粒子之一，弱相互作用是自然界四种基本力之一，能驱动放射性衰变与核聚变(太阳能量来源)。此前，基本粒子质量若超出预期，可能颠覆科学家对物质和空间力的假设，而W玻色子质量测量的准确性至关重要。
科学家通过分析位于瑞士欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)产生的超10亿次质子碰撞事件来确定W玻色子质量。LHC将质子加速至接近光速，碰撞时两个质子可产生W玻色子。但捕获W玻色子极难，它几乎立即衰变成中微子和μ子，中微子难以探测，科学家只能测量μ子并建模模拟其与W玻色子总质量关系。此次研究使用了LHC上的紧凑型μ子螺线管(CMS)实验探测器，精确追踪μ子及其他粒子。
研究团队从数十亿次质子 - 质子碰撞中识别出1亿个产生W玻色子并衰变为μ子和中微子的事件，经详细分析，确定W玻色子质量为80360.2 ± 9.9兆电子伏特(MeV)，与标准模型预测相符。标准模型是物理学家描述自然界基本粒子和力的最佳规则手册。
此前，费米实验室对撞机探测器(CDF)在2022年的测量结果比标准模型预测重得多，引发对“新物理”的猜测。此次新的CMS测量结果与CDF精度相当，且与标准模型及众多其他实验结果一致，让物理学家在理解W玻色子方面有了更坚实基础。麻省理工学院核科学实验室高级博士后肯尼斯·朗称这让人如释重负，有力证实了可信任标准模型。
这项研究由CERN CMS合作组3000多名成员完成，核心团队约30位科学家来自10个机构，由麻省理工学院团队领导。W玻色子于1983年首次被发现，多项实验测定其质量精度不一，多数与标准模型预测相符，CDF实验2022年的结果是显著例外。
新研究中，物理学家分析了2016年LHC产生的质子碰撞事件。LHC运行时质子碰撞频率极高，约每25纳秒一次。研究团队分析部分数据集，识别出约1亿次产生W玻色子的事件。由于W玻色子寿命极短，约10⁻²⁴秒后衰变，测量难度大，需精确测量μ子来拼凑信息。
当W玻色子衰变产生μ子时，μ子携带其一半质量并转化为动量。CMS探测器内强磁场使带电μ子运动路径产生曲率，科学家要追踪其轨迹及相互作用以估算初始动量。同时，μ子动量受W玻色子动量影响，解读其运动影响是挑战。研究团队模拟了40亿个质子 - 质子碰撞后μ子可能经历的场景，用先进理论计算描述，包含多种假设和不确定性。
研究人员将模拟结果与2016年LHC运行数据对比，分析CMS对超1亿次W玻色子事件产生μ子的测量数据，叠加到模拟动量上，转换为W玻色子新质量。新质量值明显小于CDF实验结果，且与标准模型预测范围相符，增强了物理学家对标准模型的信心。
不过，科学家认为研究未结束。朗表示应继续测量，保斯称要增加数据、提升分析技术、深入挖掘数据，以确定是否真正理解这一基本组成部分。这项工作得到美国能源部和麻省理工学院物理系赞助的SubMIT计算设施等多个资助机构支持。
