美國弗吉尼亞州的托馬斯·傑弗遜加速器實驗室的物理學家5月9日在《自然》雜誌發表了最新的“Q—實驗”成果，他們測量到迄今為止最精確的“弱力”數據，世界各國的科技媒體紛紛報道了精確測量“弱力”的成果、實驗的意義和對粒子物理學的影響。“Q—實驗”不是一個新的測量項目，來自20多個國家的100多位科學家組成了國際合作團隊，他們經過十多年的精心實驗，在弱力探測和基礎物理學領域取得了重要進展。弱力是四種自然基本力的一種，人們通常對引力和電磁力比較熟悉，而對亞原子領域的強力和弱力則比較陌生。雖然對弱力的直接測量是一項極為困難的實驗，但是人們在日常活動中能夠感受弱力的影響，弱力是原子產生放射性現象的原因，它能激發原子核的鏈式反應，驅動核電廠的運行。我們的太陽像一個超級反應堆，鏈式反應能觸發太陽內部的核聚變反應，放射性衰變釋放的能量加熱了地核，地熱資源成為可利用的能源，醫生利用低劑量的放射性來探測人們身體的病變，甚至用取代手術的放射療法來清除奪命的細胞。
四種自然基本力分別是引力和電磁力，強核力和弱核力。牛頓萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論在不同的宏觀尺度上描述了引力屬性，引力在微觀尺度上表現為量子引力，目前的物理學家在量子引力的研究領域未能取得突破性的發現。引力在微觀尺度上是最弱的一種，而在天體物理的宏觀尺度上是最強的一種，牛頓的引力理論證明了一個“天上人間”合一的哲學引力論的“等效原理”，即：蘋果從樹上掉落和地球圍繞太陽運轉遵循了同一個引力定律。
人們在微觀尺度上觀測不到引力的存在，卻能夠發現電磁力的作用，原子核和電子通過電磁力結合起來，原子核內的質子帶有正電荷，原子核外的電子帶有負電荷，電磁力的相互作用通過光子傳遞。引力是四種基本力中最弱的一種，而強力是四種基本力中最強的一種，原子核內的質子和中子，中子和質子內的夸克通過強力結合起來，強相互作用力通過一種被稱之為膠子的粒子來傳遞。與引力和電磁力長程力的屬性相比，強力和弱力屬於一種短程力，它們作用的距離極短，強力的作用距離在10的負10次方米到10的負15次方米，而弱力的作用距離更短。在粒子物理學的標準模型中，粒子之間的相互作用分為四種，它們是四種自然基本力。
物理學家最早研究了原子核內質子和中子之間的強力或強核力，自從1947年以來，通過實驗陸續發現了幾百種表現了強相互作用的粒子，物理學家將這些粒子統稱為強子，顧名思義，強子是參與強相互租用的粒子。弱力或弱核力指的是一種作用於所有粒子的短程力，這種力是原子核產生放射性的原因，也是自由中子產生衰變的動力，中子在弱核力作用下轉化為質子，同時釋放一個電子和一個反中微子。弱力只作用於自旋為 1/2 的物質粒子，不作用於自旋為1的光子、自旋為2的引力子。弱力比引力強得多，比強力和電磁力弱得多，精確測量弱力的大小是一項有極大挑戰性的艱難實驗。
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，質子的電荷和電磁場產生的是一種電磁相互作用，兩種相互作用的差異符合哲學屬性論的“差異原理”。“Q—實驗”的基本原理利用了弱力和電磁力一致性的“等效原理”，利用了弱力和電磁力差別性的“差異原理”，將物理哲學的“兩個原理”結合起來，我們找到了該實驗的哲理依據。
粒子物理學的標準模型成功地描述了電磁力和弱力的統一性，兩種力實質上是一種力的兩個方面，可以將發生在亞原子層面的這兩種力融合為符合哲學等效關係的一種力。1967年，倫敦帝國學院的阿伯達斯·薩拉姆和哈佛大學的史蒂芬·溫伯格共同提出了弱電作用的統一理論，“Q—實驗”建立在弱力和電磁力統一性的基礎上，只是由於弱力非常微弱，精確的測量變得非常困難，就像對反物質和引力波的精確測量變得異常困難一樣。“Q—實驗”科學團隊的物理學家直到現在才取得了滿意的、卻不是實驗的最終結果。“Q—實驗”成果限制了發現新粒子和新基本力的可能，維護了粒子物理學標準模型的完整性和科學性，對預測那些未有發現的重粒子提供了新的認識，而發現新的重粒子通常是通過歐洲大型強子對撞機來實現的，“Q—實驗”和大型強子對撞機實驗形成了等效和互補的效應。
實驗團隊的科學家為了測量質子的弱電荷、或弱力的大小，需要進行電子和質子相互作用的實驗，從大量的實驗數據中判斷哪些是電子和質子的電磁相互作用，哪些是電子和質子的弱相互作用。根據項目科學家的解釋，質子在和電子發生的弱相互作用中表現了一種奇異的特性，弱力不遵循“對稱性法則”，在分解粒子時具有一種左旋或右旋的方向偏好，這種不對稱的差異性是測量弱力性質和大小的關鍵因素。他們將左旋和右旋的電子束拋向質子池，兩種“螺旋性”相反的電子將發生彈跳，彈跳的方式取決於電子的旋向性，每散射10億個電子，兩種不同旋轉方向的差異性小於300，他們通過精確測量這種微小的差異來確定質子的弱電荷。簡而言之，電子在與質子碰撞時會發生散射現象，在電子和質子電磁力的相互作用中，每1萬到10萬次的電子散射有一次是通過弱力產生的，他們測量的質子弱電荷大約是0.0719。
（鄧如山 2018-5-14 [email protected]）
The Q-weak experiment was conducted in Jefferson Lab's Experimental Hall C, and its goal was to very precisely measure the proton's weak charge, a term that quantifies the influence that the weak force can exert on protons. The Q-weak apparatus, shown here, was installed in the hall for the experimental run, which concluded in 2012.
Credit: DOE's Jefferson Lab
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