亚原子粒子会通过自然界中的四种基本力相互作用。引力使我们牢牢地待在地球表面上，也让我们手中的咖啡杯不向天空飘散；电磁力作用于带电粒子之间，并会在暴风天的日子里引发闪电；强力是如此的强大，以至于通过它相互作用的粒子（即夸克和胶子）会被紧紧地束缚在一起，并且仅能作为复合物（比如质子和中子）存在；弱力则会激发太阳内部的一系列链式反应，还能为放射性衰变提供一种机制。
○ 四种基本力。| 图片来源：Typoform
此外，正如大多数人所熟悉的，质量是引力产生相互作用的根源，而电荷和磁矩是电磁力的核心。但描述强力和弱力的强度的物理性质，却是不太为人熟知的色荷和弱荷。一个粒子的弱荷类似于它的电荷——是质子在电磁力作用下受到影响的度量，但却又非常不同。在粒子物理学的标准模型中，这两种相互作用是紧密相连的。（标准模型是一个非常成功的理论，它将弱力和电磁力描述为一个单一的力的两个不同方面。）
在一项最新的研究中，科学家在美国杰斐逊实验室进行的Q-weak实验中，首次以极高的精确度测量了质子的弱荷。此次的研究结果对无法用当前理论描述的物理学设置了严格的约束条件。其研究结果发表于2018年5月9日的《自然》杂志。
○ 在Q-weak实验中使用的设备，其目标是精确的测量质子的弱荷。其实验结果与标准模型的预测几乎完全一致。 | 图片来源：JEFFERSON LAB/DOE
相比于强力和电磁力，弱力实在是太微弱了，因此十分难以被测量。幸运的是，大自然提供了一种方便的度量标尺，那就是一种与宇称对称（类似于镜像对称）有关的原理。
那么，什么是宇称对称呢？假如有一个过程的出现与其镜像的出现概率完全相同，那么我们就说这一过程保持宇称对称。事实上，在宏观世界中，我们能轻易地看到宇称对称的破坏，这尤其出现在生物系统中。举个例子，如果人类的手性也遵循宇称对称，那么世界上的人口应该有一半是右撇子，一半是左撇子。但显然，这并没有发生，因为大多数人都是右撇子。
同样地，粒子也具有手性。一个右手性粒子的自旋方向是由当右手大拇指指向粒子的运动方向时，四根手指的卷曲来定义的。相对应的，对于一个左手性粒子来说，则需要弯曲左手的手指来联系粒子的自旋和速度方向。而不同寻常的是，当所有亚原子粒子间通过弱力相互作用时，都会违反宇称对称。因此，弱荷就可以通过对比粒子的左右手性的行为来确定。
为了测量质子的弱荷，Q-weak的研究人员在实验中朝含有低温液氢的质子靶发射了具有特定手性的电子束，并且设计了一个特别的装置来测量这些从质子靶上散射的电子。
接着，研究人员测量出了一种不对称性，这种不对称性描述的是从质子散射出的电子的左右手性的概率差异。结果显示，每十亿中就有 -226.5±9.3 的不对称。数字前的“负号”表示的是左手性电子比右手性电子更容易散射。我们可以用山脉高度的类比来理解这种不对称性的大小：如果山脉的高度违反了宇称对称性，那么珠穆朗玛峰和它的镜像对应物在高度上将有2mm的差别，并且对这一差异的测量将精确到±80μm。
○ 从质子(p)散射的电子(e)的宇称不守恒。一个螺旋性为+1的入射电子被散射于“宇称不守恒镜面”。在宇称不守恒镜面中的镜像里，入射电子具有相反的螺旋性(-1)，电子并没有在散射后进入宇称不守恒镜中（就像发生在一面真正的镜子中那样），而像是从宇称不守恒镜面出来。由光子（γ，蓝色波浪线）传递的占主导作用的电磁力保持了宇称的守恒。而由Z⁰玻色子（红色虚线）传递的弱相互作用，则违背了宇称守恒。实验通过翻转入射光束的螺旋性（相当于模仿宇称不守恒镜面的“反射”效应）对弱相互作用进行了研究。| 图片来源：The Jefferson Lab Qweak Collaboration
这一结果比以往所有通过对来自核子目标散射的电子来研究宇称不守恒的实验都具有更高的精度。Q-weak实验组利用测量到的不对称性，最终确定了质子的弱荷为 0.0719 ± 0.0045，这与标准模型预测的值非常吻合。（为了方便比较，论文中作者按惯例将质子电荷记为+1。）
或许有人会疑问，为什么物理学家想要如此精确地测量质子的弱荷呢？简而言之，为了测试我们认知的界限。物理学家总是试图知道在怎样的尺度下，当前理论就会无法解释观测到的数据。这种失败或许就意味着第五种基本力的存在。这是一种假想的未被发现的相互作用，它或许在我们迄今为止还为探索过的极高能量中扮演着重要角色。
根据Q-weak实验组对测量结果的报告表明，如果真的存在这种相互作用，那么它们将在超过几个TeV（1TeV=10¹²电子伏特）的粒子能量下才会显现出来。作为比较，在我们熟悉的核裂变（核子分裂成两个或更多部分）反应堆中，平均每个粒子释放的能量约为10⁶eV。这项实验中，研究人员的新物理能级下限与CERN的大型强子对撞机实验的设定相当、并相辅相成。这非常令人惊叹，因为这次实验中，研究人员用到的电子束的能量比大型强子对撞机中质子束的能量低几千倍。
物理学家 Anne Kinney 说：“在十多年的谨慎研究之后，Q-weak 不仅提供了更多与标准模型有关的信息，它还显示了即便是在中等能量级别的实验中，也能以极高的精准度收获与大型对撞机同等水平的科学结果。这种精度对于搜寻超越标准模型的物理来说将至关重要，届时新的粒子效应或许将会出现于极其微小的差异中。”
在一个多世纪以前，科学家已经证明电荷会以一份一份的离散形式出现，这为经典电磁学和现代量子力学之间的架构了一座桥梁。从物理常量到粒子属性（如质子的弱荷），通过以更高精度对这些物理量进行测量，可能就会发现需要修改标准模型的新相互作用和粒子。如此宏远的追求需要几代人共同努力不断精化研究。或许有一天，已获得的知识就能带来突破。
核物理学家 Timothy Hallman 说：“这些极具挑战的实验结果为寻找超越现有理解的新物理提供了另一条线索。有大量证据证明，标准模型只能对自然现象提供一份不完备的描述，而我们却仍不知道突破会出现在什么地方。像Q-weak这样的实验将我们更进一步接近这一问题的答案。”
编译：小雨
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0096-0
https://www.jlab.org/node/7915
https://www.nature.com/articles/d41586-018-05037-9
发表于 2018-5-13 23:03
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