在理论物理学中，“对称”是一条宝贵的原则，以描述了构成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架标准模型为例，它就是牢牢地建立于量子物理学和相对论的相对称性原理基础之上的，而宇称守恒也一直是物理学中一个普适的原则。
在一个三维坐标系中，宇称变换会将所有方向都替换为其相反方向，比如一个向量(1, 1, 1)在宇称变换下会变成(-1, -1, -1)，所有的+1都变成了-1，因此我们可以说这个向量拥有负宇称。而对于角动量来说，它在宇称变换下并不会像三维坐标系中的向量那样改变符号，因此角动量被称具有正宇称。在很长一段时间里，物理学家假定自然界的四种基本力（电磁力、弱力、强力和引力）在宇称变换下都是保持不变的。换句话说，真实世界中的物理过程与它们在镜像世界中都遵循着完全相同的定律。
然而在1956年，理论物理学家李政道和杨振宁挑战了弱力中的宇称对称，他们认为，在基本粒子所处的量子世界，我们需要重新审视“对称”这种基本原理，并提出弱相互作用中，宇称会被破坏。
在当时，杨振宁和李政道的说法无疑是惊世骇俗的。然而不久之后，在1957年，实验物理学家吴健雄就从放射性元素钴60的原子核衰变中，证实了李和杨的猜测：她发现离开钴核的电子会有倾向性地朝着某个方向发射。这意味着，对称性遭到了破坏。
弱力是四种基本力中的一种，它支配着粒子的衰变。一直以来，计算和测量质子和中子间的弱力都是一件极其艰巨的任务。然而最近，一个名为n3He合作组的物理学家团队在《物理评论快报》发表了一项研究，描述了他们通过对质子和中子之间的弱力进行测量，精确地获得了核反应中的宇称破坏率的定量结果。
对于弱力测量实验来说，强力和其他背景噪声都会对实验数据产生干扰，因此n3He实验必须能灵敏地测量到非常微小的效应——比背景干扰小1亿倍的效应。这难度极大，它好比要在10多米高的上空中，从堆满干草的谷仓中甄别出一根绣花针。
在n3He实验中，研究人员就创造出了这样一个背景干扰极低的实验环境。这次的实验是利用气态的氦3（³He）和橡树岭国家实验室中的散裂中子源（SNS）所产生的冷中子束来进行的，SNS是有着极高中子通量的冷中子源，它所产生的中子为研究弱力效应提供了理想材料。
³He是一种轻而稳定的同位素，由两个质子和一个中子组成，是自然界中唯一一个在原子核中质子比中子多的元素。在这次实验中，气态的³He被用作为中子的结合目标，一束低速的冷中子会先进入气态的³He中。在中子与³He发生碰撞之前，研究人员可以通过专门设计的仪器对³He的核自旋方向进行控制。
³He原子是一种稳定的氦同位素。
当一个中子与³He碰撞时，会产生不稳定的氦同位素⁴He，它会衰变为一个质子和氚核（³H，两个中子和一个质子），当质子和³H通过氦气时，会产生一个微弱但可被探测到的电信号。以质子的传播方向测量这一过程发生的频率，再将其与中子的自旋方向联系起来，就能确定宇称破坏的不对称性。
⁴He是一种不稳定同位素，它会衰变为一个质子和一个氚核。
如果宇称守恒，探测器上所显示的质子将在其上半部分和下半部分有着相同的分布，从而不对称性为0。
但是在这个实验中，研究人员观察到质子在探测器上的分布并不均匀，也就是说宇称遭到了破坏。通过约一年的时间，研究人员收集了大量数据，确定了一个中子和质子之间宇称破坏，测得的不对称性为1.55×10⁻⁸，其统计不确定度为0.97×10⁻⁸，系统不确定度为0.24×10⁻⁸，这是迄今为止对弱力测量所获得的最小不确定度。
n3He实验的结果无疑一项引人注目的成就。一直以来，宇称破坏——这种弱力所特有的现象，都由于其过于复杂而使得没有一个实验能够为其提供足够的信息。在理论和实验上都能被很好地理解和测量的原子核非常少。而n3He，以及它的前身实验NPDGamma（利用中子与液态氢的结合），创造了能改变了核物理学家理解原子核的弱相互作用的的实验结果。这二者通过精确计算和精密的实验能力，帮助物理学家更好的探讨标准模型中的一些突出问题。接下来，研究人员将进行更多的测量，以为理论学家利用原子核来寻找改进模型、预测新的结果提供更多参考。
参考来源：
https://www.ornl.gov/news/scientists-achieve-higher-precision-weak-force-measurement-between-protons-neutrons
https://physics.aps.org/articles/v13/149https://physics.aps.org/story/v22/st19
发表于 2020-10-10 15:08
