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在人类科学史上 , 在与实验和观测结果相匹配的预测方面 , 没有任何理论比粒子物理的标准模型更成功 。 描述所有已知的基本粒子 , 以及与之相关的三种基本力—电磁、强核力和弱核力 , 科学家们进行过太多次实验 , 没有一次其结果与该理论的预测相矛盾 。 从布鲁克海文到SLAC到LEP到赫拉到费米实验室再到大型强子对撞机的粒子加速器已经尝试了一次又一次 , 但从来没有发现过一个值得进一步研究的异常 。
美国费米实验室CDF的对撞机探测器刚刚发布了他们的最新结果 , 提供了有史以来对其中一种基本粒子W玻色子质量的最精确测量 。 虽然标准模型精确地预测了它的静止质量能量为80.36千兆电子伏(GeV) , 但CDF的合作发现了80.43GeV , 不确定度仅为0.0094GeV 。 这代表了标准模型预测有7西格玛差异 , 这个结果很有趣 , 这次预测“错误”的背后蕴含了宇宙的意义 。
希格斯玻色子是一种标量粒子 , 它与所有质量不为零的粒子耦合并赋予质量 , 标准模型本身详细说明了这些不同粒子之间的关系 , 例如什么与哪些其他粒子耦合并与之相互作用 。 然而 , 有些性质只能通过测量来确定 , 比如单个基本粒子的质量 。 这次预测错误的原因其实也不能算是错误 , 这类似一个变量 , 换句话说科学家们没有将粒子如何相互影响算进去 。 例如 , 如果顶夸克的质量比它的质量大得多 , 它会增加质子的质量 , 因为质子内部的粒子与同样与顶夸克耦合的粒子耦合 。 因此 , 如果可以测量除一个标准模型粒子外的所有粒子的质量 , 则标准模型的其余部分将告诉我们最后一个粒子的质量应该是多少 。
科学家们在实验上测量粒子质量的方法相对简单 , 先以极高的能量将粒子碰撞在一起 , 这些碰撞只要遵守所有适当的守恒定律就可以通过爱因斯坦最著名的方程E=mc2 , 从能量本身创造出新的粒子和反粒子 。 当产生新的粒子时 , 如果它们包含除最轻的夸克和轻子以外的任何粒子 , 它们就会不稳定 , 这意味着它们会衰变为更轻的粒子 。
这就是为什么对撞机会发光 , 科学家们会把粒子聚在一起 , 在巨大的磁约束环中以相反的方向循环 。 然后 , 在建造探测器的地方 , 科学家们用磁力挤压它们 , 以最大限度地提高碰撞的概率 , 并观察结果 。 虽然目前的科学有局限性 , 但科学家们可以重建由碰撞产生的每个粒子的能量和动量 , 除了中微子 , 它们的能量和动量是根据守恒定律推导出来的 。
【与理论预测不符,美国费米实验室测定最精确希格斯玻色子质量】
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