精密實(shí)驗(yàn)首先孤立測量質(zhì)子中子之間的弱力

一組科學(xué)家首次測量了原子核中質(zhì)子和中子之間難以捉摸的弱相互作用。他們選擇了由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成的最簡單的原子核進(jìn)行研究。

通過能源部橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)獨(dú)特的中子實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家解決了原子核心處的微粒之間的弱力，在標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)測了這種微粒及其相互作用。

他們的結(jié)果對(duì)核粒子之間強(qiáng)大力量的微妙方面敏感，這仍然知之甚少。

“ 物理評(píng)論快報(bào)”中描述 的團(tuán)隊(duì)的觀察結(jié)果， 使用稱為NPDGamma的設(shè)備完成了數(shù)十年的工作。實(shí)驗(yàn)的第一階段在洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在LANL獲得的知識(shí)基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)將項(xiàng)目移至ORNL，以利用實(shí)驗(yàn)室散裂中子源產(chǎn)生的高中子束強(qiáng)度。

質(zhì)子和中子由稱為夸克的較小粒子組成，這些粒子通過強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起，這是四種已知的自然力之一：強(qiáng)力，電磁力，弱力和重力。弱力存在于質(zhì)子和中子之間和之間的微小距離; 強(qiáng)烈的相互作用限制了中子和質(zhì)子中的夸克。

弱力還連接了核粒子的軸向自旋和運(yùn)動(dòng)方向，揭示了夸克如何在質(zhì)子和中子內(nèi)移動(dòng)的微妙方面。

“實(shí)驗(yàn)的目的是分離和測量這種弱相互作用的一個(gè)組成部分，這表現(xiàn)為可以高統(tǒng)計(jì)精確度計(jì)算和驗(yàn)證的伽馬射線，”ORBL中子物理學(xué)的共同作者兼團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人David Bowman說。 。“你必須發(fā)現(xiàn)很多gammas才能看到這種微小的影響。”

NPDGamma實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)在SNS的基本中子物理光束線上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它將冷中子引向液態(tài)氫的目標(biāo)。該裝置被設(shè)計(jì)成控制緩慢移動(dòng)的中子的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)需要將它們從旋轉(zhuǎn)向上旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)向下的位置。當(dāng)被操縱的中子撞擊目標(biāo)時(shí)，它們與液態(tài)氫原子內(nèi)的質(zhì)子相互作用，發(fā)出由特殊傳感器測量的伽馬射線。

在分析了伽馬射線后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了違反平價(jià)的不對(duì)稱性，這是中子和質(zhì)子之間力的行為的特定變化。鮑曼解釋說：“如果保持平價(jià)，一個(gè)以右手方式旋轉(zhuǎn)的原子核和一個(gè)以左手方式旋轉(zhuǎn)的原子 - 就好像它們是鏡像圖像一樣 - 會(huì)導(dǎo)致相同數(shù)量的伽馬射線向下發(fā)射。”

“但事實(shí)上，我們觀察到更多的游戲下降而不是上升，這導(dǎo)致成功地隔離和測量弱力的鏡像不對(duì)稱成分。”

科學(xué)家們?cè)诖蠹s二十年的時(shí)間里進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對(duì)伽馬射線進(jìn)行計(jì)數(shù)和表征，并根據(jù)中子自旋方向和其他因素從這些事件中收集數(shù)據(jù)。

SNS的高強(qiáng)度以及其他改進(jìn)使得計(jì)數(shù)率比之前在洛斯阿拉莫斯中子科學(xué)中心的操作高出近100倍。

NPDGamma實(shí)驗(yàn)的結(jié)果填寫了重要的信息，但仍有待測試的理論。

“質(zhì)子和中子內(nèi)的夸克之間的弱力有一個(gè)理論，但是夸克之間的強(qiáng)力轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和中子之間的力的方式尚不完全清楚，”W. Michael Snow說。印第安納大學(xué)的共同作者和實(shí)驗(yàn)核物理教授。“這仍然是一個(gè)未解決的問題。”

他將弱力與弱力相關(guān)的測量結(jié)果作為一種示蹤劑進(jìn)行了比較，類似于生物學(xué)中的示蹤劑，它揭示了一個(gè)對(duì)系統(tǒng)感興趣的過程而不會(huì)打擾它。

“弱相互作用使我們能夠揭示原子核內(nèi)夸克動(dòng)力學(xué)的一些獨(dú)特特征，”斯諾補(bǔ)充道。