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至真探索 · 基本对称性与中微子

宇称破坏在电子散射中

2026-06-07

自然规律里最深的一条对称性是左右。拿起一面镜子，左手变右手。如果世界严格遵循左右对称，你无论怎么转，物理定律不会偏袒左手还是右手。这个直觉叫宇称守恒。

1956年李政道和杨振宁指出：弱相互作用不守这条规矩。第二年吴健雄用钴-60的β衰变证实了它——电子放出来的方向确实偏了一边。宇称破坏，是弱力的签名。

六十多年后，物理学家在电子散射里要找的，还是宇称破坏。但不是为了证明它存在——而是用超精确的测量反过来检验整个标准模型，看它有没有裂缝。

Qweak实验在2018年给了第一份答卷。它在美国弗吉尼亚州的杰弗逊实验室（Jefferson Lab）进行：用85%纵向极化的1.165 GeV电子束去打液氢靶——就是质子。散射角限制在8度左右，动量传递Q²只有0.0249(GeV/c)²——这是故意选的，因为越低越能避开强相互作用的背景噪音。

左手电子和右手电子被质子散射的概率不一样。这个不对称性只有大约-226个ppb——ppb的意思是"parts per billion"，十亿分之二百二十六。如果把不对称性比作硬币正反面，就是抛十亿次硬币，正面比反面多两百来次。这个信号必须从电子束的涨落、靶的噪声、探测器的不确定性中筛出来。

Qweak做到了。2018年5月，合作组在Nature上发表了最终结果：不对称度A_PV = -226.5 ± 7.3 (统计) ± 5.8 (系统) ppb。换算成质子弱荷——Q_W^p = 0.0719 ± 0.0045。标准模型的预言是0.0708 ± 0.0003。

两者在约1个标准差内一致。也就是说——没有新物理。但这不是坏消息。这个"没有"把很多新物理的窗口关上了：排除了质量低于2.3 TeV的轻子夸克，排除了能标低于3.5 TeV的新的半轻子宇称破坏相互作用。

而且Qweak验证了标准模型一个非常微妙的预测——弱混合角sin²θ_W随着能标"跑动"（running）。在Z玻色子质量（91 GeV）附近，sin²θ_W大约是0.2315。到Qweak的0.025 GeV能量尺度，它应该"跑"到了0.2382。Qweak以大约0.5%的精度测出了这个跑动量，与标准模型一致，显著性是10倍标准偏差。

跑动不是无意义的参数调整。它是一种量子效应的事实验证——由于虚粒子在真空中的涨落，裸耦合常数在不同能标下被"屏蔽"或"增强"的程度不同。sin²θ_W从Z峰到低能的变化——跑动约0.007——是被标准模型精确定义的。如果实验测出的跑动量与理论哪怕偏了0.001，就是新物理信号。

所以Qweak交出的答卷是：标准模型过了这一关。但精度还不够。0.5%在电弱精密测量里不算顶尖。下一个实验要降一个量级——到0.1%。

这个实验叫MOLLER。它也在杰弗逊实验室，也在同一台加速器（CEBAF）上。但打的是电子-电子散射，不是电子-质子。Møller散射的独特之处是靶也是电子（极化束打在靶电子上），整个反应只有轻子——没有强子，没有核物理的不确定性。所以它可以做到更高的精确度。

MOLLER用11 GeV极化电子束，目标是测量一个大约33 ppb的宇称破坏不对称度。计划用344个PAC日（粒子加速器委员会批准的天数）分三个运行期完成。终极不确定度是±0.8 ppb——比Qweak小超过十倍。这对应着电子弱荷的2.1%测量，以及弱混合角的约0.1%相对精度。这个精度水平能与单个最好的Z玻色子峰测量相竞争——但在一个完全不同的、低六个数量级的能标下。

MOLLER在2024年2月发布了技术设计报告。2025年7月28-29日通过了第二次实验就绪审查（ERR2）——这是美国能源部的关键里程碑。合作组宣布一切按计划进行，SBS谱仪拆除完成后预计2025年11月开始在Hall A安装。第三次审查（ERR3）定在2026年夏季。首次物理取数目标在2027年初。

发言人Krishna Kumar（马萨诸塞大学阿默斯特分校），副发言人Mark Pitt（弗吉尼亚理工大学）。约180名合作者，34个机构，4个国家。

MOLLER的实验挑战是空前的。33 ppb的宇称破坏不对称度意味着打到靶上的电子束的任何左-右不对称——哪怕是束流位置偏差了一纳米、能量偏差了十亿分之一——都会产生假信号。MOLLER的束流监测系统要做到同时测量束流的极化、位置、能量到亚ppb量级。

在技术细节之下，MOLLER真正关心的是同一个问题：低能标下的sin²θ_W到底是多少？如果把sin²θ_W随能标的跑动画一条线，MOLLER想做的就是把线的最低能端钉死到0.1%——这样一来，哪怕Z峰（LEP/SLD，91 GeV）、LHC（几十GeV到TeV）和低能电子散射（0.0056 GeV²）三条不同能标下的测点中只要有一个偏离了标准模型的跑动曲线，就是新物理的指纹。

第三个实验在欧洲。

在德国美因茨大学，P2实验正在准备另一条路线。它用新建的MESA加速器——155 MeV的能量回收超导直线加速器——去打质子靶，测量宇称破坏。Q²低到只有0.0045 GeV²，不对称度约28 ppb。

P2的探测器是一个积分型切连科夫环——72根融石英棒——放在从FOPI实验回收的超导螺线管磁铁里。跟踪探测器用了HV-MAPS（高压单片有源像素传感器）技术，在Kravchenko（2025年博士论文，已发表）的论文中有详细描述。Møller极化计用来监测束流极化到0.5%以内。

2024年11月超导磁铁交付。2025年4月真空室到达。2026年，MESA加速器开始调试。目标是在大约11000小时的束流时间里，把sin²θ_W的测量精度推到0.14-0.15%。这将能探测到大约50 TeV能标的新物理——五倍于LHC直接搜索的能力。

三个实验是三代实验。SLAC E158——Qweak——MOLLER/P2。SLAC E158在2005年首先在EPJ A上报道了Møller散射中弱混合角的精确测量。它看到了sin²θ_W确实在低能跑动了，但精度不到百分之一。Qweak换了靶（从电子换成质子），在2018年把精度推到了0.5%，验证了跑动到10倍标准偏差。MOLLER再把靶换回电子（消除核物理不确定性），精度目标0.1%。P2用完全不同的加速器技术（能量回收超导）降到155 MeV——低到连最低的Q²也能达到。

这三条线的交汇点是同一个：低能电弱精密测量可以触碰到LHC看不到的东西。

为什么？因为如果一个新的重粒子——比如暗光子（dark photon）或者暗Z玻色子（dark Z）——与标准模型粒子有微弱的耦合，它会在sin²θ_W的"跑动"上留下一个台阶。它不需要直接被加速器产生。它只要在真空的量子涨落中存在，就能通过辐射修正改变低能观测量。在TeV到几十TeV质量范围的新粒子，对LHC直接产生来说太重——但对MOLLER/P2的低能精密测量来说刚好。

而且MOLLER和P2在暗区物理上是互补的。Dark Z如果只耦合到轻子（轻子特异型），MOLLER因为是纯轻子散射而更敏感。Dark Z如果耦合到重子，P2和Qweak（电子-质子散射）就更合适。

2025年arXiv:2505.07279（Tan等）专门计算了暗光子对宇称破坏电子散射的修正，把这个灵敏度定量化了。虽然搜索中未找到2023-2024年专门讨论P2和MOLLER对Dark Z参数空间排除区域的具体文章，但P2的50 TeV和MOLLER的0.1%精度作为设计目标，自动给定了它们对新物理的灵敏度上限。

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这里有一个需要在诚实性里提到的点：中国团队在这三个实验里没有显著参与。

Qweak合作组以美国机构为主，MOLLER有加拿大马尼托巴大学等34个机构，P2是德国主导。在已公开的成员名单中没有出现中国主要大学或研究所。

这不是说中国在宇称破坏物理上没有能力。王贻芳领导的大亚湾实验在2012年精确测量了中微子混合角θ₁₃——这个角如果非零，意味着中微子振荡中可能存在CP破坏——即中微子和反中微子行为不同。这是宇称破坏在中微子领域的一个变体。JUNO在继续这条线。但电子-核子散射里的宇称破坏——用极化电子束探测弱荷——中国目前没有在建设或参与这种类型的实验。

有一个历史性的教训值得提起。NuTeV实验（费米实验室，用中微子散射在2002年测量sin²θ_W）曾经报告了约3倍标准偏差的偏差——似乎新物理。但后来发现偏差主要来自核效应（同位旋矢量部分）和奇异夸克不对称性。这场"异常"最终在2000年代后期被多种分析消解，并没有推翻标准模型。这个案例对MOLLER和P2的意义是：即使做出来偏离标准模型的信号，也要极其小心地排除所有系统误差——特别是核物理和强子物理的不确定性。

铯原子宇称破坏（APV）是另一个独立窗口。Sahoo、Das和Spiesberger在2021年用改进的相对论耦合簇方法重新计算了¹³³Cs的弱荷，得到Q_W = -73.71 ± 0.26(实验) ± 0.23(理论)。标准模型预测在CDF的W质量异常（2022年）之后漂移到了约-73.11。偏差还有大约1.5到2倍标准偏差——不像NuTeV那么夸张，但也不完全平静。APV和电子散射探测的是质子弱荷的不同线性组合，二者联合可以区分出的可能的新的耦合结构。

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Z玻色子峰给了我们一个点。P2和MOLLER要给另一个——比Z峰小了一万倍的能量标度下的点。如果标准模型是对的，两点之间应该用一条精确预言的跑动曲线连起来——这条曲线在2024年刚被Erler、Ferro-Hernández和Kuberski用格点QCD重新计算过（PRL 133, 171801, 2024）。他们第一次用纯理论方法（不依赖e⁺e⁻数据）算出了κ̂(0) = 1.03234。这个值的意义是：sin²θ_W(0) = 1.03234 × sin²θ_W(M_Z)。他们发现，格点QCD结果与e⁺e⁻截面数据之间有一个约8×10⁻⁵的向上漂移——约为MOLLER最终预期不确定度的30%。这是纯粹的理论-理论张力：不是新物理，是不同计算方法之间的系统差异。需要解决。

如果MOLLER和P2各自的测量完成后，低能点与Z峰点之间的连线偏离了标准模型跑动——哪怕偏0.001——就是这个时代的NuTeV。但不是由于中微子束的核效应，也不是由于靶的不确定性——而是纯轻子散射，由世界上最精密的一束极化电子来完成。它将意味着有什么东西在真空的量子涨落中藏着——质量可能在TeV到几十TeV之间，LHC看不到，但它在低能散粒上留下了脚印。

MOLLER在2025年11月开始在杰弗逊实验室安装。P2在2026年在美因茨开始调束。Qweak已经退场——它的最后一个博士后交给了MOLLER的束流监测系统。

电子散射中的宇称破坏不是一个能"直接发现"什么的实验。它是在低能下画一条非常精确的线，等另一头的高能点在晃动时告诉我们——标准模型在哪断了。

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参考文献

  1. Qweak Collaboration. "Precision measurement of the weak charge of the proton." *Nature* 557, 207–211 (2018). [D. Androić, D.S. Armstrong et al., Jefferson Lab Hall C, 王贻芳未参与]
  2. MOLLER Collaboration. "The MOLLER Experiment: Technical Design Report." February 2024. [K.S. Kumar (UMass Amherst, spokesperson), M. Pitt (Virginia Tech, deputy)]
  3. P2 Collaboration. "The P2 experiment — A high precision determination of the weak mixing angle at low Q²." MESA/Mainz. [F. Maas (Mainz), M. Kravchenko (PhD 2025)]
  4. SLAC E158 Collaboration. "Precision measurement of the weak mixing angle in Møller scattering." *Physical Review Letters* 95, 081601 (2005); *European Physical Journal A* 24, S2.02 (2005). [P.L. Anthony et al., SLAC]
  5. Erler J, Ferro-Hernández R, Kuberski S. "Theory-Driven Evolution of the Weak Mixing Angle." *Physical Review Letters* 133, 171801 (2024). arXiv:2406.16691. [JGU Mainz / UNAM]
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