W 與 Z 的發現(discovery of the W and Z)
到了 20 世紀 70 年代末,電弱理論是個漂亮的想法,卻帶著一個清晰而令人生畏的要求:在某處必定存在三個沉重的載體粒子,即 W 和 Z 玻色子,質量約為質子的 85 到 95 倍。要製造出如此沉重的東西,就得讓粒子以前所未有的更高能量相撞。1983 年發現 W 和 Z,正是把電弱理論從優雅的數學變成確立的物理學的那一刻。
突破發生在 CERN(歐洲核子研究中心),魯比亞(Carlo Rubbia)和范德梅爾(Simon van der Meer)領導了一項大膽的計劃:讓質子與反質子以極高能量對撞。范德梅爾發明了一種巧妙的技術來壓縮並聚焦反質子束(稱為隨機冷卻),使足夠多的碰撞得以發生。兩台大型探測器 UA1 和 UA2 守候著標誌性的信號:W 玻色子表現為一個高能電子或緲子橫向飛出,並伴有被看不見的微中子帶走的丟失能量;Z 玻色子則表現為一對乾淨的、電荷相反的輕子,它們合起來的質量總是約為 91 GeV。
測得的質量幾乎精確地吻合了電弱預言,這是一次驚人的證實。魯比亞和范德梅爾分享了 1984 年的諾貝爾獎,認可來得非常快。這一發現鞏固了標準模型,也展示了一種強有力的實驗策略——通過重建一個重粒子衰變所成的較輕粒子的質量,來搜尋這個重粒子。同樣的「尋峰」邏輯,後來被用於發現頂夸克和希格斯玻色子。
Z 玻色子現身為一對輕子——比如一個電子和一個正電子——它們的能量與動量加在一起,總是重建出同一個接近 91 GeV 的質量。把許多事件的這個合成質量畫成圖,就出現一道尖銳的峰:這就是新粒子不會認錯的指紋。
1983 年,CERN 在約 91 GeV 處出現的一道尖銳質量峰,宣告了 Z 玻色子的誕生。
1983 年的實驗發現的是 W 和 Z 本身;解釋它們為何沉重的希格斯玻色子,直到 2012 年才被找到,那是另一段故事。