科學家成功完成了對弱力的精確測試

科學家成功完成了對弱力的精確測試

在傑斐遜實驗室C廳裡的“Q-弱”實驗裝置。

弱力是自然界裡四種基本力量中第二弱的、作用距離第一短的一種力。它只作用於電子、夸克層子、中微子(杜真子)等費米子,並制約著放射性現象,而對諸如光子、引子等玻色子不起作用。它引發的一系列物理反應為太陽提供能量,其放射性衰變機制加熱了地球內核,它還能使醫生在沒有手術的情況下檢測出病人體內的疾病。總之,弱力是一種對人類日常生活至關重要的力量。據《自然》雜誌5月9日刊發的一篇研究論文稱,在美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器中心(Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility)的“Q-弱”實驗中,科學家已成功完成了對弱力的精確測試,這一最新結果將縮小超出我們現有物理知識以外的新粒子和力量存在的可能性範圍。

“這一精密測量技術可作為一扇進入潛在新粒子世界的窗戶,否則這些粒子只能通過極高能的加速器才能觀測到,而這樣的加速器目前已經超出了我們的技術能力範圍。”傑斐遜實驗室的科學家、“Q-弱”協作實驗的聯合發言人羅傑·卡烈尼(Roger Carlini)說。

如今,“Q-弱”協作實驗揭示了弱力的一個秘密:它對質子精確控制的強度。他們是通過對質子的微弱電荷進行高精確度測量來實現這一實驗目標的,他們採用的設備是美國能源部的“連續電子束加速器裝置”(Continuous Electron Beam Accelerator Facility)的高質量光束。

美國能源部科學研究所的核物理學副主任蒂莫西·J·哈爾曼(Timothy J. Hallman)說:“這一極具挑戰性的實驗結果,是我們於目前的認知以外在世界範圍內搜尋新物理過程的又一線索。有充分的證據表明,粒子標準模型的物理學只能提供自然界現象的不完整描述,但未來的突破會來自何方仍然有待發現,而像‘Q-弱’這樣的實驗讓我們越來越接近於找到答案。”例如,“Q-弱”實驗的結果縮小了輕子夸克可能存在的範圍——這種假想的粒子可以反向對調兩種範圍廣闊、性質截然不同的基本粒子,將夸克(核物質的基本物質)轉變為輕子(電子和重質量的類似粒子),反之亦然。

美國國家科學基金會數學和物理科學理事會副主任安妮·金尼(Anne Kinney)說:“經過十多年的精心努力,‘Q-弱’實驗不僅完善補充了粒子標準模型,其結果還表明,實驗的極高精度可以讓中能實驗的結果與世界上可用的最大加速器相媲美。這種精確度對於尋找超越標準模型的物理過程是非常重要的,因為在標準模型中新粒子效應可能會出現非常微小的偏差。”

傑斐遜實驗室的科學家和“Q-弱”項目經理格雷格•史密斯(Greg Smith)說:“這是一個補充性的研究成果。如果在未來找到了新物理過程的證據,我們就可以從這篇論文設定的範圍中去判斷它究竟可能是什麼。”


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