向冷液氫目標發射電子，成功地測量了質子的弱電荷和弱力

2020-05-30 科學之美

在託馬斯·傑斐遜國家加速器進行的一項實驗中，核物理學家通過向冷液氫目標發射電子，成功地測量了質子的弱電荷。這個被稱為Q-weak的精密實驗為物理學家們解決其成功結論所面臨的諸多技術挑戰。一個潛在的混淆變量是冷液氫目標本身，這個目標系統是為Q-weak量身定製，即使氫受到無情而精確的自旋電子束轟擊，也能保持氫的低溫。物理學家們甚至不得不考慮，盛氫的鋁容器會對結果產生什麼影響。

向冷液氫目標發射電子，成功地測量了質子的弱電荷和弱力

由於在解決這一技術挑戰方面的貢獻，質子弱電荷描述了宇宙四種基本力之一的弱力。用一個電子通過弱力探測質子，可以實際測量弱電荷。但是，正如它的名字所暗示的，弱力是弱的，電子更有可能通過另一種基本力——電磁力與質子相互作用。幸運的是，弱力有一個獨特的標記：它違反了稱為奇偶校驗的普遍對稱性，保持奇偶對稱性過程發生的概率與其鏡像相同。

弱力在奇偶變換中表現出不對稱性，測量這種不對稱可以知道弱力。然而要在實驗室裡真正做到這一點非常困難——這是一種數學運算。相反，Q-weak使用了奇偶變換的替代方法。在電子加速之前，它們是極化的，所以它們都在旋轉，要麼和光束方向相同，要麼和光束方向相反。

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由於電磁力保持奇偶對稱性，所以它與兩個方向旋轉的電子以同樣的方式相互作用。但是因為弱力違反了奇偶對稱性，它更多地與在一個方向旋轉的電子相互作用。物理學家能夠利用這種差異來測量質子的弱電荷。然而，要達到這個標準並非易事。在實驗中，物理學家測量的一小部分電子實際上從未擊中氫靶。相反，一些電子散落在盛氫的鋁容器外，汙染了物理學家試圖測量的弱力信號。

向冷液氫目標發射電子，成功地測量了質子的弱電荷和弱力

這就是科學家的切入點，研究是確定有多少測量到的信號來自鋁靶容器，從而將這種信號汙染降到最低。為了做到這一點，Q-weak在一些測試中去掉了氫靶，代之以一塊與容器相同的鋁。然後Q-weak再次向目標發射極化電子，除了沒有用氫質子測量奇偶不對稱外，用鋁原子核測量奇偶不對稱。這是第一次測量到這種不對稱，也是一件非常令人興奮的事情。

博科園｜研究/來自：託馬斯傑斐遜國家加速器

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  • 向冷液氫目標發射電子,成功地測量了質子的弱電荷,還有弱力
    在託馬斯·傑斐遜國家加速器進行的一項實驗中，核物理學家通過向冷液氫目標發射電子，成功地測量了質子的弱電荷。這個被稱為Q-weak的精密實驗為物理學家們解決其成功結論所面臨的諸多技術挑戰。一個潛在的混淆變量是冷液氫目標本身，這個目標系統是為Q-weak量身定製，即使氫受到無情而精確的自旋電子束轟擊，也能保持氫的低溫。物理學家們甚至不得不考慮，盛氫的鋁容器會對結果產生什麼影響。由於在解決這一技術挑戰方面的貢獻，質子弱電荷描述了宇宙四種基本力之一的弱力。用一個電子通過弱力探測質子，可以實際測量弱電荷。
  • 精確測量弱力的物理哲學依據
    弱力的相互作用取決於粒子的「弱電荷」，就像電磁力的相互作用取決於電荷、引力的相互作用取決於物體的質量一樣，比如：質子的弱電荷和質子的電荷非常相似，或者粒子和「弱電荷」和粒子的電荷符合哲學屬性論的「等效原理」，比如：質子的弱電荷和質子的電荷都和電磁場產生相互作用，質子的弱電荷和電磁場產生的是一種弱電相互作用
  • 物理學家剛精確測量四種基本力之一的「弱力」
    物理學家們已經做出了迄今為止最精確的測量，來測量弱力——自然界的四種基本力之一：對質子的作用。5月9日發表在《自然》(Nature)期刊上的研究結果，正是標準模型預測的結果，對物理學家們在理論中尋找奇點的努力，以及發現可以解釋暗物質和暗能量新物理學的努力又一次打擊。
  • 質子弱力最精確測量結果與標準模型幾乎一致—新聞—科學網
  • 弱力如何控制放射性衰變?為什麼我們通常不提這種力的作用方式?
    但是最後一個力呢？弱力？每當我們談論弱相互作用的時候，只會說某種類型的放射性衰變。這些放射性衰變會讓一個重夸克或輕子衰變為更輕更穩定的夸克和輕子。例如上圖構成中子的一個下夸克釋放出一個W玻色子，衰變為質子。弱力確實控制著這一過程，但這聽起來不像其他力的描述一樣！
  • 史上第一次,物理學家精確測量出弱核力
    強核力是作用於強子之間的力，是目前所知的四種宇宙間基本作用力最強的，也是作用距離第二短的（大約在 10^(-15)～10^(-10) m 範圍內）。最早研究的強相互作用是核子 （質子或中子）之間的核力，它是使核子結合成原子核的作用。
  • 不斷向微觀發起挑戰,科學家精確測量了質子的半徑
    無處不在的質子位於每個原子的中心，它是無數研究和實驗的主題。然而，根據均方根電荷半徑來測量這片雲的大小的實驗卻產生了一個意想不到的結果，這讓原子物理學家和核物理學家們忙得團團轉，必須得重新審視質子這個基本量。在2010年之前，對質子半徑最精確的測量來自於兩種不同的實驗方法。
  • 用μ子製成的氫顯示出質子大小的難題
    該團隊沒有使用單個質子，而是轉向氘核，氘核具有質子和中子。中子的存在應該改變電子和μ子感知質子電荷的方式。該團隊測量了所得到的muonic氘的特性，以確定這是否改變了質子半徑謎題。值得花一些時間來了解這些測量的難度。μ子是由粒子加速器產生的，這意味著它們是精力充沛的。
  • 重新測定質子大小,結果讓物理學家失望了
    在波爾發現 μ 子氫 9 年之後，由多倫多約克（York University）大學的埃裡克·赫塞爾斯（Eric Hessels）帶領的一個物理學家團隊，開始對常規的「電子」氫中的質子半徑進行重新測量。最終，赫賽爾斯和他的同事將質子半徑測定為 0.833 飛米（存在 0.01 飛米的誤差範圍），與波爾的測量結果完全一致。
  • 質子的半徑始終無法準確測量,新測量方法能否解開質子之謎?
    肯定不會是用尺子量，因為質子實在是太小了，想要測量質子，就一定需要使用微觀的測量手段，目前測量質子半徑通常採用兩種方式：電子散射實驗與氫光譜實驗。氫光譜實驗說起來就有一些複雜了，需要涉及到一些量子力學中量子躍遷的知識，這裡化繁為簡：氫原子是由一個質子和一個電子組成的，處於激發態的氫原子是不穩定的，氫原子中的電子需要釋放光子，並且從高能量軌道躍遷到低能量軌道，氫原子在量子躍遷中釋放的光子構成了氫原子的光譜，物理學家可以通過氫原子的光譜計算氫原子的能量級，進而計算出質子的半徑，但是氫光譜實驗也是有弊端的
  • 科學家測量出真實質子半徑!粒子界將被重新定義!
    質子大小的測量方法那麼質子具體到底是怎麼測量的呢？其實物理學家主要使用兩種技術來測量質子的大小。一個是被稱為光譜學的技術，具體表現為觀測電子繞原子核運動的過程。因為在一些電子軌道穿過原子核中的質子時，質子的大小影響電子與原子核結合的強度。通過精確測量不同電子能級之間的差異，進而估算出質子半徑。
  • 四種基本力之一的弱力有多弱？只比引力強，卻能左右太陽的存亡
    亞原子粒子間的相互作用，毫無疑問，強核力是四大基本力中最強的力，它能夠將質子和中子緊緊束縛在一起，而質子與中子是由夸克構成，強核力會首先通過膠子將各個夸克「黏在一起」，從而實現質子與中子之間的緊密連接，自 1947 年發現與核子作用的π介子以後，實驗陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子被統稱為強子，當我們說到弱力時，不少人會質疑，它會不會不是一個真正的力？
  • 極簡說明強力和弱力
    我們這個宇宙中存在四種力，分別是，強力，弱力，電磁力和引力。電磁力好理解，你拿把尺子摩擦一下頭髮就能吸起紙屑，這就是電磁力。引力也好懂，地球圍繞著太陽轉就是靠萬有引力。強力跟弱力都是原子層面的力，我們都知道的原子由原子核和電子構成，原子核裡是質子和中子。強力就是把質子和中子拴在一起，不讓原子核散架的力，要讓質子和中子乖乖的待在那麼小的一個空間裡不嫌棄對方，一定要有一個力去克服這個排斥力，這個力就是強力。
  • 原子核半徑測量值存在矛盾:未知力?
    殘酷的現實是質子的半徑極難測量，以致於很容易出現測量誤差，尤其是在質子被電子環繞的情況下，也就是正常的氫原子結構。過去的幾十年中許多研究組曾經嘗試這樣的測量，他們得到的質子半徑的平均值僅略低於0.88飛米（10⁻15米）。但是 Pohl 領導的研究組致力於尋求更大的準確率，他們在1998年開始著手在「μ氫」中測量質子半徑，因為 μ 子的重量使質子的大小更容易測量。
  • 質子半徑之謎,已被解開?
    北卡羅萊納州a&T州立大學教授、實驗發言人阿肖特·加斯帕裡安說：「我們很高興，多年來我們的努力工作即將結束，取得了一個好的結果，這將對解決所謂的質子半徑難題起到至關重要的幫助。」。 宇宙中所有的可見物質都是建立在一個由三個夸克和強大的力能結合在一起的雲上的。
  • 質子半徑之謎或終結?最新測量結果比原以為的小5%
    物理學家們使用兩種主要技術來測量質子的大小。一種技術基於電子繞原子核的運動。由於某些電子軌道會穿過原子核中的質子，因此質子的大小會影響電子與原子核的結合強度。利用光譜學技術精確測量各電子能級之間的差別，物理學家就可以估算質子的半徑。第二種技術採用粒子束撞擊原子並記錄這些粒子如何被原子核散射。
  • 啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?
    強力和弱力更多地表現在微觀世界，而且主要在亞原子層面。何謂亞原子？就是比原子更小更深層次的物質，如電子、質子、中子、夸克、中微子等等，這些亞原子本身也層次大小不同。強力主要作用在強子層面，質子、中子能夠緊挨在一起，就是強力在起作用；弱力的作用層面就更小了，主要在作用於電子、夸克層子、中微子等費米子層面，並制約著放射性現象，對光子、引子等玻色子不起作用。
  • 前所未有的的精確測量:在量子電動力學中用雷射求解質子電荷半徑
    氫是宇宙中最常見的元素，與此同時是只有一個電子的最簡單的物質。圖2 雙光子直接頻率梳狀光譜學 的實驗原理（左圖）及其裝置 （右圖）質子大小之謎氫原子中的電子可以感知質子的尺寸，這一現象通過能量水平的微小的位移所反應出來。
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    萬有引力是長程力，可以廣泛地作用於所有的物質。由於其廣泛的作用範圍，當物質質量為極大，物質有關的屬性以及與物質的帶電量有時可以相對地忽略。萬有引力的計算公式萬有引力在宇宙的形成和天體的系統中起著決定性的作用，如太陽系、銀河系的形成靠的就是萬有引力。
  • 弱力和強力,來自微觀世界的神秘力量
    上一篇文章《引力和電磁力，與人類生活密切相關的兩種力》，簡單介紹了一下引力和電磁力，下面咱們接著來介紹弱力和強力。弱力和強力是產生在微觀領域的相互作用，作用效果在微觀層面才能觀察到。兩者都屬於短程力，屬亞原子粒子間的相互作用。弱力弱力是4種基本力中第三強的力，比電磁力要弱很多，強度約相當於電磁力的十億分之一。弱力的作用距離比強力短，作用範圍大約在10^-18米之內，是4種基本力中作用距離最短的力。