物理學家剛精確測量四種基本力之一的「弱力」

2020-12-05 博科園
博科園：科學科普-粒子物理學類

這是標準模型的另一個勝利，這是一個非常成功的理論，它描述了所有已知基本粒子是如何相互作用的。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。

在q -弱實驗中使用的儀器，最近測量了一種基本自然力，並沒有發現偏離標準模型。圖片：Jefferson Lab, US DOE

儘管它取得了成功，但標準模型是不完整的。這並不能解釋暗物質和暗能量的存在，它們共同構成了宇宙的95%以上，卻從未被直接觀測到。這個理論也沒有包含引力，也沒有解釋為什麼宇宙包含的物質比反物質更多。一種更完整的理論的方法是檢驗標準模型對弱力的描述。弱力是放射性衰變的原因，它能使太陽發光並驅動核電站的核反應。弱力相互作用強度取決於一個粒子的所謂弱電荷，就像電磁力依賴於電荷而引力取決於質量。

q -弱實驗是一項歷時多年的研究，涉及來自20多家機構的100多名科學家，他們首次著手測量質子的微弱電荷。維吉尼亞州傑斐遜國家加速器設施的物理學家格雷格·史密斯(Greg Smith)說：我們只是希望這是找到標準模型裂縫的一條途徑。研究人員在質子池中發射了電子束。電子的自旋不是平行的就是反平行的。在與質子碰撞時，電子會散射，主要是由於與電磁力的相互作用，每1萬到10萬次散射，就有一種是通過弱力產生的。

與電磁力不同，弱力不像物理學家所說的那樣遵循鏡像對稱或奇偶性。所以，當通過電磁力相互作用時，電子就會以同樣的方式散射，而不管它的自旋方向。但是當通過弱力相互作用時，電子散射的可能性就會很小，取決於旋轉是平行的還是反平行的，相對於電子運動的方向。在實驗中，光束在發射的電子與平行的和反平行的旋轉之間交替，大約每秒1000次。研究人員發現，在散射概率上的差異僅僅是226.5分/ 10億，精度為9.3分/ 10億。這就相當於發現了兩種不同的山，在高度上，每一枚硬幣的厚度都不同——精確到人類頭髮的寬度。

加拿大曼尼託巴大學(University of Manitoba)的物理學家彼得·布倫登(Peter Blunden)說：這是迄今為止測量的最微小、最精確的不對稱。這是一個令人印象深刻的成就。另外表明，在尋找新物理的過程中，這些相對低能量的實驗可以與強大的粒子加速器競爭，比如日內瓦附近的大型強子對撞機。儘管質子的微弱電荷幾乎是標準模型所稱的，但所有的希望都不會在某天找到新的物理。結果只是限制了那些新物理學的樣子。例如，排除了電子-質子相互作用的現象，能量在3.5萬億電子伏以下。不過，史密斯說，如果他們能找到新的東西，那就更令人興奮了。

博科園-科學科普｜文：Marcus Woo/Live Science

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    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。
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