日前，煙臺大學物理與電子信息學院祝斌教授與南京師範大學武雷教授團隊在電弱精確測量擬合與新物理研究中取得重要突破性研究進展，解決了粒子物理試驗中標準模型預言和實驗測量的偏離問題。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子化不確定度的較量）為題，發表於國際頂級學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）2023年第14期。
△Nature Communication期刊發表的文章首頁
粒子物理是研究物質最小單位——粒子的性質和行為規律的學科。研究粒子物理對認識宇宙的本質非常重要。此外，粒子物理也對科技的發展有著不可或缺的作用，許多現代科技應用如同步輻射和粒子加速器等都與粒子物理有關。在粒子物理研究中，實驗和理論是兩個重要部分。實驗需要建立各種粒子探測器和加速器，使用先進的技術手段和設備獲取粒子的各種信息；理論需要建立粒子的標準模型，描述粒子的規律。
近年來，粒子物理實驗中的兩個重大結果——繆子的反常磁矩和W玻色子的質量測量，引起了廣泛關注。標準模型認為粒子的磁矩和自旋成正比，而繆子的磁矩應該非常接近於標準模型的預測值。然而，最新的費米實驗室實驗結果表明，繆子的磁矩偏離標準模型的預測值非常顯著，這被稱為「繆子反常磁矩」。W玻色子是標準模型的重要組成部分，而CDF的實驗測量表明，W玻色子的實際質量比標準模型預言的數值大很多。這兩個實驗結果的顯著偏離標準模型挑戰了我們對基本粒子性質的理解和標準模型的描述能力，也為尋找新物理提供了契機。
△新物理-標量輕子夸克的出現可以解釋繆子的反常磁矩
和W玻色子質量與標準模型預測值的偏離
在研究過程中，祝斌教授和武雷教授課題組敏銳地發現強子真空極化貢獻不僅是標準模型繆子反常磁矩理論計算的一個關鍵部分，而且還可以對跑動精細結構常數產生貢獻，是電弱精確擬合的一個關鍵因素。通過對強子真空極化的研究，可以自然地將繆子反常磁矩和W玻色子的質量問題結合在一起。
「這項研究解決了標準模型預言和實驗測量的偏離，具有多方面的創新性。」祝斌教授介紹道，首先，團隊利用最精確的W玻色子質量等電弱精確可觀測量，獨立於正負電子對和格點計算，給出了強子真空極化貢獻的一個極具競爭力的理論結果，並預測了繆子反常磁矩的標準模型值。結果表明，標準模型無法完美地解釋電弱精確測量和繆子反常磁矩的實驗數據，這為新物理研究提供了新的動力。其次，團隊提出了一種超越了標準模型的新物理模型，成功解釋了兩個實驗的測量結果。然而，還有一個重要的問題需要解決，那就是這個模型或其擴展能否同時解釋最近的味物理測量和異常，並滿足額外的現象學限制，其中最嚴格的限制是希格斯粒子到繆子的衰變測量，團隊創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量。最後，研究團隊成功地計算出了新物理模型中新粒子的產生率，證明了這個模型可以被實驗驗證。更令人振奮的是，在歐洲核子中心大型強子對撞機實驗中，有很大的可能發現這些新粒子，這意味著我們有望在未來探索到新的物理現象，為科學家們尋找新物理提供了明確的方向。
《自然·通訊》審稿人認為，「該研究表明，CDF實驗中W玻色子質量的最新異常測量和繆子反常磁矩拉動了共同的強子貢獻朝相反方向。研究團隊量化了這種影響，並得出結論——同時擬合兩個可觀測量會增加與標準模型預測的差異。該研究大大加強了標準模型以外新物理的證據，這個結果在粒子物理領域極為重要。」
《自然·通訊》（Nature Communications）是《Nature》雜誌子刊，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。該研究得到了國家自然科學基金委面上項目的資助。
△祝斌教授
祝斌教授，1985年11月出生，2014年博士畢業於南開大學，2014-2016年在中科院物理所從事博士後研究，2016年入職煙臺大學物理與電子信息學院並直聘為副教授，2022年獲校聘教授，其主要研究領域為粒子物理，曾獲國家青年基金和面上項目基金資助，在暗物質和新物理尋找方面取得了多項重要研究成果。截至目前，在《Nature Communications》《Science Bulletin》和《Journal of High Energy Physics》等國際知名期刊累計發表52篇論文，共被引用1158次。（來源：煙臺大學）
編輯：白天
審核：周玉森