輕原子核中的宇稱不守恆

2020-10-10 原理



在理論物理學中，「對稱」是一條寶貴的原則，以描述了構成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架標準模型為例，它就是牢牢地建立於量子物理學和相對論的相對稱性原理基礎之上的，而宇稱守恆也一直是物理學中一個普適的原則。


在一個三維坐標系中，宇稱變換會將所有方向都替換為其相反方向，比如一個向量(1, 1, 1)在宇稱變換下會變成(-1, -1, -1)，所有的+1都變成了-1，因此我們可以說這個向量擁有負宇稱。而對於角動量來說，它在宇稱變換下並不會像三維坐標系中的向量那樣改變符號，因此角動量被稱具有正宇稱。在很長一段時間裡，物理學家假定自然界的四種基本力（電磁力、弱力、強力和引力）在宇稱變換下都是保持不變的。換句話說，真實世界中的物理過程與它們在鏡像世界中都遵循著完全相同的定律。


然而在1956年，理論物理學家李政道和楊振寧挑戰了弱力中的宇稱對稱，他們認為，在基本粒子所處的量子世界，我們需要重新審視「對稱」這種基本原理，並提出弱相互作用中，宇稱會被破壞。


在當時，楊振寧和李政道的說法無疑是驚世駭俗的。然而不久之後，在1957年，實驗物理學家吳健雄就從放射性元素鈷60的原子核衰變中，證實了李和楊的猜測：她發現離開鈷核的電子會有傾向性地朝著某個方向發射。這意味著，對稱性遭到了破壞。


弱力是四種基本力中的一種，它支配著粒子的衰變。一直以來，計算和測量質子和中子間的弱力都是一件極其艱巨的任務。然而最近，一個名為n3He合作組的物理學家團隊在《物理評論快報》發表了一項研究，描述了他們通過對質子和中子之間的弱力進行測量，精確地獲得了核反應中的宇稱破壞率的定量結果。




對於弱力測量實驗來說，強力和其他背景噪聲都會對實驗數據產生幹擾，因此n3He實驗必須能靈敏地測量到非常微小的效應——比背景幹擾小1億倍的效應。這難度極大，它好比要在10多米高的上空中，從堆滿乾草的穀倉中甄別出一根繡花針。


在n3He實驗中，研究人員就創造出了這樣一個背景幹擾極低的實驗環境。這次的實驗是利用氣態的氦3（³He）和橡樹嶺國家實驗室中的散裂中子源（SNS）所產生的冷中子束來進行的，SNS是有著極高中子通量的冷中子源，它所產生的中子為研究弱力效應提供了理想材料。


³He是一種輕而穩定的同位素，由兩個質子和一個中子組成，是自然界中唯一一個在原子核中質子比中子多的元素。在這次實驗中，氣態的³He被用作為中子的結合目標，一束低速的冷中子會先進入氣態的³He中。在中子與³He發生碰撞之前，研究人員可以通過專門設計的儀器對³He的核自旋方向進行控制。


³He原子是一種穩定的氦同位素。


當一個中子與³He碰撞時，會產生不穩定的氦同位素⁴He，它會衰變為一個質子和氚核（³H，兩個中子和一個質子），當質子和³H通過氦氣時，會產生一個微弱但可被探測到的電信號。以質子的傳播方向測量這一過程發生的頻率，再將其與中子的自旋方向聯繫起來，就能確定宇稱破壞的不對稱性。


⁴He是一種不穩定同位素，它會衰變為一個質子和一個氚核。



如果宇稱守恆，探測器上所顯示的質子將在其上半部分和下半部分有著相同的分布，從而不對稱性為0。


但是在這個實驗中，研究人員觀察到質子在探測器上的分布並不均勻，也就是說宇稱遭到了破壞。通過約一年的時間，研究人員收集了大量數據，確定了一個中子和質子之間宇稱破壞，測得的不對稱性為1.55×10⁻⁸，其統計不確定度為0.97×10⁻⁸，系統不確定度為0.24×10⁻⁸，這是迄今為止對弱力測量所獲得的最小不確定度。



n3He實驗的結果無疑一項引人注目的成就。一直以來，宇稱破壞——這種弱力所特有的現象，都由於其過於複雜而使得沒有一個實驗能夠為其提供足夠的信息。在理論和實驗上都能被很好地理解和測量的原子核非常少。而n3He，以及它的前身實驗NPDGamma（利用中子與液態氫的結合），創造了能改變了核物理學家理解原子核的弱相互作用的的實驗結果。這二者通過精確計算和精密的實驗能力，幫助物理學家更好的探討標準模型中的一些突出問題。接下來，研究人員將進行更多的測量，以為理論學家利用原子核來尋找改進模型、預測新的結果提供更多參考。


參考來源：

https://www.ornl.gov/news/scientists-achieve-higher-precision-weak-force-measurement-between-protons-neutrons

https://physics.aps.org/articles/v13/149

https://physics.aps.org/story/v22/st19

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    所以就有點講不下去。（自學能力超強的冷言是可以看懂那些物理也可以應用在某些方面。但是沒辦法做到用通俗易懂語言講出來。）所以諾貝爾物理學獎科普系列已經拖更很久了，加上最近有講到楊振寧先生的宇稱不守恆定律。所以今天冷言就來講一下，什麼是宇稱不守恆定律。
  • 宇稱不守恆理論在中國的曲折遭遇
    1956年10月，30歲的李政道和34歲的楊振寧在美國科學雜誌《物理評論》上發表了《弱相互作用中宇稱不守恆質疑》一文，提出了宇稱不守恆理論假設。1957年1月，美籍華裔女物理學家吳健雄率先通過實驗證實了這一理論。1957年10月，李、楊二人在提出該理論僅一周年的時候，榮膺諾貝爾物理學獎。
  • 宇稱不守恆,是因為忽略了鏡像宇宙?
    然而，有點不對勁：鐘錶在逆著走，汽車在道路上逆行，你看的故事也是從後往前寫的。突然間你意識到：原來你在看的是自己的鏡像。這個鏡子另一端的離奇世界在你看來或許非常不真實。而利婭·布魯薩爾（Leah Broussard）認為，一個一切都翻轉過來的平行宇宙很有可能存在。
  • 楊振寧和李政道的宇稱不守恆創造了什麼應用價值?
    楊振寧和李政道為解決粒子物理學的τ-θ之謎，在1956年提出弱相互作用下宇稱不守恆設想，並給出了幾種實驗驗證方案。1957年初，實驗證實在弱相互作用下宇稱的確不守恆，頓時引起了巨大轟動，當年他們就獲得了諾貝爾物理學獎。
  • 李政道:1957年物理學獎:弱作用中宇稱不守恆定律
    31歲時與楊振寧發現弱作用中宇稱不守恆而獲得諾獎。因在宇稱不守恆、李模型、相對論性重離子碰撞（RHIC）物理、和非拓樸孤立子場論等領域的貢獻聞名。1957年，時年31歲的李政道因發現弱相互作用下宇稱不守恆定律與楊振寧共享諾貝爾物理學獎。李政道為祖國的科學和教育事業做了很多貢獻。
  • Nature封面「撼動宇宙的粒子」證明宇稱不守恆或揭開宇宙最大謎團
    但最新的數據表明，中微子比反中微子有更高的振蕩概率，這種區別可以用宇稱不守恆來表示。宇稱不守恆，是粒子物理學中的一個術語。它說明在一個物理過程中的宇稱對稱被破壞了。實驗中，如果宇稱守恆，則表明中微子和反中微子行為相同，按道理實驗將會檢測到大約68個電子中微子和20個電子反中微子。
  • 如果沒有楊振寧和李政道,宇稱不守恆還需要過多久才能被發現?
    1957年，楊振寧和李政道因發現宇稱不守恆而獲諾貝爾物理學獎。他們提出宇稱不守恆的設想是在1956年，之所以能夠不到一年就獲諾貝爾獎是因為他們的發現實在是太重要了。若是問假若沒有楊振寧和李政道，人類還需要多久才能發現宇稱不守恆？
  • 宇宙微波背景輻射中出現違背宇稱守恆定律的神秘現象
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  • 文苑雜談|孫滌談宇稱守恆之謎與漸卦、需卦
    他們選取前人進行過的實驗結果，在允許宇稱可能不守恆的前提下使用理論對其進行解釋。比如，他們計算了弱相互作用下不同衰變過程的概率，在表達衰變概率的公式中，經過數學推導，有可能反映宇稱不守恆的那一項最終被消去。因此看出，在 1956 年以前做過的所有實驗中，沒有一個可以真正驗證宇稱在弱相互作用下是否守恆。
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    如此年輕就獲此殊榮，在「諾貝爾獎」獲獎名單中，也是不多見的！那一刻他們萬眾矚目，意氣風發！此時距離他們發表「宇稱不守恆」的論文，相距還不到1年時間！這在諾貝爾獲獎歷史上是絕無僅有的據統計，從發表論文，到獲得諾貝爾獎，平均年限大約10年時間！而楊振寧與李政道在當年發表論文，當年就獲得諾貝爾獎！從側面說明這個獎的份量。