高能所团队提出双部分子散射导致W玻色子超重

中国科学院高能物理研究所张镇副研究员团队提出，双部分子散射（Double Parton Scattering, DPS）效应不仅能解释美国Tevatron对撞机上W玻色子质量测量结果与粒子物理标准模型之间的偏差，还能解释欧洲大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider, LHC）与Tevatron两测量值之间的不一致性。该机制无需引入超出标准模型的新物理，同时定量给出了可供实验检验的理论预言。近日，相关成果在国际主流期刊《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics）正式发表。

W玻色子是传递弱相互作用的带电规范玻色子，其质量的精确测量是搜寻新物理的重要探针。Tevatron对撞机上最新的W玻色子质量测量值为80359.1±5.2MeV，异常偏高，不仅与标准模型的理论预言值有6.9σ的偏离，也与LHC对撞机上最新的测量值有5.4σ的偏离。若该偏离由超出标准模型的新物理所致，不同的对撞机上理应发现一致的偏差。因此，这种系统性的偏离必然与两个对撞机的不同环境有关，而DPS效应是环境依赖的，刚好会对W玻色子的质量测量产生差异性影响。

图1：双部分子散射示意

所谓双部分子散射，是指一次强子碰撞过程中，发生了两对部分子散射 （见图1）。此过程中发生的另一对部分子散射会发出强子辐射，影响原本过程的丢失横动量等强子相关的观测量，造成精确测量实验的系统偏差。

在喷注横动量较大时，DPS可看作是两个独立的子散射过程，可用微扰论很好地描述，此时DPS发生概率正比于两个子散射过程的截面。DPS现象已被CMS和ATLAS实验组分别独立发现，相关的物理参量在不同对撞机、不同能量、不同散射过程的实验测量之间展现出一致性，潜在地遵循一个共同规律。但随着喷注的横动量降低，DPS的效应将越来越大，逐渐进入非微扰区域，并随之不再适用微扰论描述。深入横动量较小的区域，研究DPS的阈值条件、挖掘更丰富的实验数据，是探索半硬能区量子色动力学（Quantum Chromodynamics, QCD）的重要一环。

图2：双部分子散射效应随着其阈值的降低可导致W玻色子质量的反常增加。

研究表明，DPS效应在喷注横动量接近10GeV时开始作用明显，且如图2所示，其刚好可以解释W玻色子质量的反常差异。这一差异与两个对撞机的强子环境有关：LHC上质子束流强度非常大，堆积（pile-up）效应很强，产生了较为均匀的背景辐射，而DPS效应相对来讲要小的多，在利用统计规律扣除均匀背景时，无意中大幅度扣除了DPS的影响；而Tevatron的束流强度较低，导致相应的背景辐射是随机的、规律性差的，无法有效利用统计规律扣除。

为证实该推断，该研究给出了强有力的预言，即在过程中将其中一个轻子的信息完全舍去，重复CDF实验组测量W玻色子质量的方法，则最终测量到的Z玻色子质量也将比其它实验的测量值更大。如果将来的实验发现了同样的偏离，则将证实着该论文的推断。同时，该论文建议在未来的Tevatron数据分析中，应该把强子的直接测量信息用于实际的测量校准中，从而更好地测量和W玻色子质量。

DPS效应不仅出现在W玻色子的质量测量中，还会出现在各类高精度的对撞测量实验中，并且会为每一个精确测量过程带来一部分额外的辐射贡献。在强子对撞过程中，其体现为散射截面的增强与事例分布的改变，并伴随额外的QCD辐射。反过来，高精度的实验测量也为检验DPS理论模型提供了新的手段，为探索软硬过渡能区QCD基础理论提供了进一步的实验支持。当下的分析表明，DPS效应在精确测量实验中不可忽略，展示了对撞机复杂强子背景下的丰富物理内涵。这也从侧面表明，玻色子质量等基本参数的精确测量迫切需要像CEPC这样本底更干净的轻子对撞机。

航天八院张睿博士是论文第一作者，张睿和张镇是论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院高能物理研究所创新项目、国家自然科学基金等项目支持。

研究论文：https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP08(2026)034