参与CMS实验的物理学家最近发布了对一种长期以来一直难以研究但引起物理学界关注的粒子进行了广泛的测量。
今天，在大型强子对撞机（LHC）上进行紧凑型μ子电磁测量仪（CMS）实验的研究人员揭示了W玻色子的质量的新测量。这是在2022年费米实验室（CDF）实验意外发现之后的结果。这是CMS团队首次对W玻色子进行质量测量，并引入了一种新颖的技术，使其成为迄今为止对W玻色子质量的最全面分析。在近十年的工作之后，CMS已经确定W玻色子的质量与理论预测相符，最终澄清了一个长期以来的谜团。您可以查看已发布的论文。
最后的分析利用了来自2016年LHC运行的3亿条记录事件的数据集，以及40亿条模拟事件。团队从超过1亿个W玻色子中重建并测量出质量，得出值为80,360.2 ± 9.9 兆电子伏特（MeV）。这一结果与标准模型的预测80,357 ± 6 MeV相符。他们还进行了单独分析，以验证他们的理论假设。
“CMS的成果非常独特，因为其精确性以及我们确定不确定性的方式，”美国能源部费米国家实验室的杰出科学家和前CMS发言人Patty McBride表示。”我们从CDF以及其他研究W玻色子质量的实验中获得了重要见解。我们受益于他们的工作，这使我们能够显著推进我们的研究。”
自1983年发现W玻色子以来，来自10个不同实验的物理学家测量了其质量。
W玻色子是标准模型的重要组成部分，这个理论框架解释了自然界在其最基本层面上的相互作用。精确理解W玻色子的质量有助于科学家探索粒子和力之间的关系，包括希格斯场的强度以及电磁力与弱力的结合，后者负责放射性衰变。
“整个宇宙在微妙的平衡中运作，”CMS实验的副发言人以及费米实验室的高级科学家Anadi Canepa评论道。”如果W质量偏离我们的预期，这可能表明存在新粒子或力的存在。”
来自CMS的新测量具有0.01%的令人印象深刻的精度。这一细节水平类似于测量一支4英寸长的铅笔，精度范围在3.9996到4.0004英寸之间。然而，与铅笔不同，W玻色子是一种没有物理尺寸的基本粒子，其质量轻于一个银原子。
“这个测量是极具挑战性的，”Canepa强调。”我们需要来自不同实验的多次测量来确认这个值。”
使CMS实验区别于其他测量这种质量的实验的是其紧凑的配置、专为基本粒子μ子设计的传感器，以及能够改变带电粒子在探测器中运动路径的强力螺线管磁铁。
“我们能够实现这一点，得益于更大的数据集、我们从对W玻色子的先前研究中获得的经验，以及最新的理论进展，”Bendavid解释道。”这使我们能够超越以Z玻色子作为参考点。”
作为这一分析的一部分，团队还评估了来自已知粒子衰变的1亿条轨迹，以重新校准CMS探测器的主要部分，显著提高其精度。
“这一新的准确度将使我们能够以更高的确定性进行涉及W、Z和希格斯玻色子的关键测量，”Manca指出。
分析中最具挑战性的方面是时间承诺，因为这需要创建一种新颖的分析方法以及对CMS探测器的深入理解。
“我作为一个夏季学生开始这项研究，现在我是第三年的博士后研究员，”Manca分享道。”这是一个马拉松，而不是短跑。”
紧凑型μ子电磁测量仪（CMS）实验部分由能源部科学办公室和国家科学基金会资助。它是位于 CERN的 大型强子对撞机（LHC） 上的两个大型通用实验之一。
更多详情：质子-质子碰撞中W玻色子质量的测量，√s= 13 TeV
