【本站訊】日前，煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院祝斌教授與南京師范大學(xué)武雷教授團(tuán)隊(duì)在電弱精確測(cè)量擬合與新物理研究中取得重要突破性研究進(jìn)展，解決了粒子物理試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的偏離問(wèn)題。該研究成果以“Hadronic Uncertainties versus New Physics for the W boson Mass and Muon g-2 Anomalies”（在w玻色子和繆子反常磁矩中新物理和強(qiáng)子化不確定度的較量）為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）2023年第14期。
粒子物理是研究物質(zhì)最小單位——粒子的性質(zhì)和行為規(guī)律的學(xué)科。研究粒子物理對(duì)認(rèn)識(shí)宇宙的本質(zhì)非常重要。此外，粒子物理也對(duì)科技的發(fā)展有著不可或缺的作用，許多現(xiàn)代科技應(yīng)用如同步輻射和粒子加速器等都與粒子物理有關(guān)。在粒子物理研究中，實(shí)驗(yàn)和理論是兩個(gè)重要部分。實(shí)驗(yàn)需要建立各種粒子探測(cè)器和加速器，使用先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備獲取粒子的各種信息；理論需要建立粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型，描述粒子的規(guī)律。
近年來(lái)，粒子物理實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)重大結(jié)果——繆子的反常磁矩和W玻色子的質(zhì)量測(cè)量，引起了廣泛關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為粒子的磁矩和自旋成正比，而繆子的磁矩應(yīng)該非常接近于標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值。然而，最新的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，繆子的磁矩偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值非常顯著，這被稱為“繆子反常磁矩”。W玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的重要組成部分，而CDF的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，W玻色子的實(shí)際質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的數(shù)值大很多。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著偏離標(biāo)準(zhǔn)模型挑戰(zhàn)了我們對(duì)基本粒子性質(zhì)的理解和標(biāo)準(zhǔn)模型的描述能力，也為尋找新物理提供了契機(jī)。
在研究過(guò)程中，祝斌教授和武雷教授課題組敏銳地發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子真空極化貢獻(xiàn)不僅是標(biāo)準(zhǔn)模型繆子反常磁矩理論計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵部分，而且還可以對(duì)跑動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，是電弱精確擬合的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)強(qiáng)子真空極化的研究，可以自然地將繆子反常磁矩和W玻色子的質(zhì)量問(wèn)題結(jié)合在一起。
“這項(xiàng)研究解決了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的偏離，具有多方面的創(chuàng)新性。”祝斌教授介紹道，首先，團(tuán)隊(duì)利用最精確的W玻色子質(zhì)量等電弱精確可觀測(cè)量，獨(dú)立于正負(fù)電子對(duì)和格點(diǎn)計(jì)算，給出了強(qiáng)子真空極化貢獻(xiàn)的一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的理論結(jié)果，并預(yù)測(cè)了繆子反常磁矩的標(biāo)準(zhǔn)模型值。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法完美地解釋電弱精確測(cè)量和繆子反常磁矩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這為新物理研究提供了新的動(dòng)力。其次，團(tuán)隊(duì)提出了一種超越了標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理模型，成功解釋了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。然而，還有一個(gè)重要的問(wèn)題需要解決，那就是這個(gè)模型或其擴(kuò)展能否同時(shí)解釋最近的味物理測(cè)量和異常，并滿足額外的現(xiàn)象學(xué)限制，其中最嚴(yán)格的限制是希格斯粒子到繆子的衰變測(cè)量，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了引入左手相互作用這一想法，可以在不破壞模型的解釋能力的前提下避免希格斯到繆子衰變的測(cè)量。最后，研究團(tuán)隊(duì)成功地計(jì)算出了新物理模型中新粒子的產(chǎn)生率，證明了這個(gè)模型可以被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。更令人振奮的是，在歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，有很大的可能發(fā)現(xiàn)這些新粒子，這意味著我們有望在未來(lái)探索到新的物理現(xiàn)象，為科學(xué)家們尋找新物理提供了明確的方向。
《自然·通訊》審稿人認(rèn)為，“該研究表明，CDF實(shí)驗(yàn)中W玻色子質(zhì)量的最新異常測(cè)量和繆子反常磁矩拉動(dòng)了共同的強(qiáng)子貢獻(xiàn)朝相反方向。研究團(tuán)隊(duì)量化了這種影響，并得出結(jié)論——同時(shí)擬合兩個(gè)可觀測(cè)量會(huì)增加與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的差異。該研究大大加強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)模型以外新物理的證據(jù)，這個(gè)結(jié)果在粒子物理領(lǐng)域極為重要。”
《自然·通訊》（Nature Communications）是《Nature》雜志子刊，影響因子為17.7。按照高能物理的慣例，論文署名以字母順序排名，祝斌教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目的資助。
祝斌教授1985年11月出生，2014年博士畢業(yè)于南開大學(xué)，2014-2016年在中科院物理所從事博士后研究，2016年入職煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院并直聘為副教授，2022年獲校聘教授，其主要研究領(lǐng)域?yàn)榱Ｗ游锢恚@國(guó)家青年基金和面上項(xiàng)目基金資助，在暗物質(zhì)和新物理尋找方面取得了多項(xiàng)重要研究成果。截至目前，在《Nature Communications》《Science Bulletin》和《Journal of High Energy Physics》等國(guó)際知名期刊累計(jì)發(fā)表52篇論文，共被引用1158次。
來(lái)稿時(shí)間：3月4日 審核：亓健生 責(zé)任編輯：孫艷
