W 与 Z 的发现(discovery of the W and Z)
到了 20 世纪 70 年代末,电弱理论是个漂亮的想法,却带着一个清晰而令人生畏的要求:在某处必定存在三个沉重的载体粒子,即 W 和 Z 玻色子,质量约为质子的 85 到 95 倍。要制造出如此沉重的东西,就得让粒子以前所未有的更高能量相撞。1983 年发现 W 和 Z,正是把电弱理论从优雅的数学变成确立的物理学的那一刻。
突破发生在 CERN(欧洲核子研究中心),鲁比亚(Carlo Rubbia)和范德梅尔(Simon van der Meer)领导了一项大胆的计划:让质子与反质子以极高能量对撞。范德梅尔发明了一种巧妙的技术来压缩并聚焦反质子束(称为随机冷却),使足够多的碰撞得以发生。两台大型探测器 UA1 和 UA2 守候着标志性的信号:W 玻色子表现为一个高能电子或缪子横向飞出,并伴有被看不见的中微子带走的丢失能量;Z 玻色子则表现为一对干净的、电荷相反的轻子,它们合起来的质量总是约为 91 GeV。
测得的质量几乎精确地吻合了电弱预言,这是一次惊人的证实。鲁比亚和范德梅尔分享了 1984 年的诺贝尔奖,认可来得非常快。这一发现巩固了标准模型,也展示了一种强有力的实验策略——通过重建一个重粒子衰变所成的较轻粒子的质量,来搜寻这个重粒子。同样的'寻峰'逻辑,后来被用于发现顶夸克和希格斯玻色子。
Z 玻色子现身为一对轻子——比如一个电子和一个正电子——它们的能量与动量加在一起,总是重建出同一个接近 91 GeV 的质量。把许多事件的这个合成质量画成图,就出现一道尖锐的峰:这就是新粒子不会认错的指纹。
1983 年,CERN 在约 91 GeV 处出现的一道尖锐质量峰,宣告了 Z 玻色子的诞生。
1983 年的实验发现的是 W 和 Z 本身;解释它们为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。