近四十年前，CERN 的研究人員識別出一種名為 Z 波子的巨大電中性粒子。這一發現對粒子物理學來說是一個重要的突破，因為 Z 波子負責傳遞弱核力，這是自然界四種基本力之一。
這一發現幫助確認了標準模型的關鍵元素。隨後，CERN 的大型電子正電子對撞機（LEP）在現在被 LHC 使用的地下隧道中運行，並對 Z 波子的質量進行了高度精確的測量。
多年來，LHC 也產生了許多 Z 波子，但由於質子-質子碰撞的複雜性，使得測量 Z 波子的質量不如其前身 LEP 那麼精確，但現在這種情況已經改變。
最近，研究人員使用 LHC 的其中一個探測器 LHCb 對 Z 波子的質量進行了最精確的測量。這一成就為在 LHC 及其未來升級的高亮度 LHC 上進行更精確的 Z 波子及其他粒子研究鋪平了道路。
解碼數千個粒子事件
研究作者使用了 2016 年在 LHC 第二次運行期間收集的數據。LHCb 團隊分析了約 174,000 個衰變成對的μ子（電子的重型表親）的 Z 波子。
這些衰變產物提供了團隊重建原始 Z 波子質量所需的清晰標記。這使得他們能夠測量到 Z 波子的質量為 91,184.2 百萬電子伏特（MeV）。
這一數字的統計不確定性僅為 8.5 MeV，系統效應的不確定性為 3.8 MeV。將這些不確定性進行平方和計算後，總不確定性約為 9.3 MeV，或大約 0.01%。這對於 LHC 而言是一個非凡的精確度。
為了達到這一精度，研究人員必須仔細校正各種小但關鍵的效應，包括微調探測器對μ子的響應、考慮能量測量中的微小偏差以及校正探測器的錯位。
他們還使用了一種稱為模板擬合的方法，將 Z 波子衰變的模擬分佈與實際數據進行比較，以找到最佳匹配。大量數據和與精度相關的變化使這一測量在每秒產生無數粒子的環境中成為可能。
最重要的是，這一結果與 LEP 之前最精確的測量結果一致。此外，這也與標準模型預測的值 91,204.7 ± 8.8 MeV 相符。因此，這一結果證實了 LHC 儘管環境更為複雜，仍能提供最高水平的精確結果。
未來的對撞機將從這一成就中受益
目前，LHCb 完成了曾經看似不可能的任務。它匹配了使用簡單質子碰撞的早期實驗的精度。此外，任何未來從目前獲得的結果中出現的偏差，無論多小，都可能指向標準模型以外的新粒子或物理現象。
展望未來，像高亮度 LHC 和未來圓形對撞機（FCC-ee）等提議的升級可能會將這一研究提升到全新的水平。
“高亮度 LHC 有潛力挑戰來自 LEP 的 Z 波子質量測量的精度，這在 LHC 計劃開始時似乎是不可想像的。這將為未來提議的對撞機，如 FCC-ee，實現更大精度的飛躍鋪平道路，”研究作者之一 Vincenzo Vagnoni 表示。
該研究已發表於《物理評論快報》期刊。
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