精密實驗分離，測量質子、中子之間的弱力

一組科學家首次測量了原子核中質子和中子之間難以捉摸的弱相互作用。他們選擇了由一個中子和一個質子組成的最簡單原子核進行研究。在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)進行的一項獨特中子實驗中，實驗物理學家們解決了原子核心粒子之間的弱作用力，這種弱作用力是在描述基本粒子及其相互作用的標準模型中預測出來。他們的研究結果對核粒子間的強作用力細微方面非常敏感，這一點目前還不清楚。《物理評論快報》(Physical Review Letters)中描述了該團隊的觀察結果，這是他們數十年來使用NPDGamma儀器進行的工作高潮。

博科園-科學科普：第一階段的實驗在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行，基於在LANL獲得的知識，團隊將項目轉移到ORNL，以利用實驗室散裂中子源產生的高中子束強度。質子和中子是由稱為夸克的較小粒子構成，夸克被強相互作用結合在一起，強相互作用是已知四種自然力之一：強作用力、電磁作用力、弱作用力和重力。

弱力存在於質子與中子之間的微小距離內；這種強相互作用把夸克限制在中子和質子中。這種弱力還連接了原子核粒子的軸向自旋和運動方向，揭示了夸克如何在質子和中子內部運動的微妙方面。

ORNL中子物理學的合著者、團隊負責人戴維·鮑曼(David Bowman)說：實驗的目的是分離和測量這種弱相互作用的一個組成部分，這種弱相互作用表現為伽馬射線，能夠以較高的統計精度進行計數和驗證。要看到這種微小的影響，必須探測很多伽馬射線。NPDGamma實驗是在SNS的基本中子物理波束線進行的第一個實驗，它引導冷中子向液氫的目標運動。該裝置被設計用來控制緩慢運動的中子自旋方向，根據需要將它們從自旋向上「翻轉」到自旋向下的位置。當操縱的中子撞擊目標時，它們與液氫原子中的質子相互作用，發出由特殊感測器測量的伽馬射線。

科學家們分析了NPDGamma實驗中發射的伽馬射線，發現了違背對稱性，即中子和質子之間作用力的一種特殊變化。測量出當液態氫中的質子捕獲中子時，伽馬射線發射的方向與中子自旋方向相反時，伽馬射線的傾向性為百萬分之30。在觀察到下降的伽瑪數大於上升的伽瑪數後，實驗首次解決了弱力的鏡像非對稱分量或旋向性問題。圖片： Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy

在分析了伽馬射線之後，科學家們發現了違背對稱性的不對稱性，即中子和質子之間作用力的一種特殊變化。如果奇偶性守恆，一個原子核以右旋的方式旋轉，另一個以左旋的方式旋轉（就好像它們是鏡像圖像一樣）就會產生相同數量的伽馬輻射。但事實上觀察到下降的伽瑪數比上升的伽瑪數要多，這就成功地分離和測量了弱力的鏡像非對稱分量。

科學家們在大約20年的時間裡進行了多次實驗，對伽馬射線進行計數和表徵，並根據中子自旋方向等因素從這些事件中收集數據。與之前在洛斯阿拉莫斯中子科學中心(Los Alamos Neutron Science Center)進行的操作相比，高強度的SNS以及其他改進使得計數率提高了近100倍。

NPDGamma實驗的結果填補了重要的信息，但仍有理論有待驗證。印第安納大學(Indiana University)實驗核物理學教授、論文合著者w·邁克爾·斯諾(W. Michael Snow)說：對於質子和中子內部夸克之間的弱作用力，存在一種理論，但夸克之間的強作用力如何轉化為質子和中子之間的作用力，人們尚未完全理解，這仍然是一個未解決的問題。他將弱力與強力的測量作為一種示蹤劑進行了比較，類似於生物學中的示蹤劑，它能在不干擾系統的情況下揭示出人們對系統感興趣的過程。弱相互作用使我們能夠揭示原子核內夸克動力學的一些獨特特徵。

博科園-科學科普｜研究/來自：橡樹嶺國家實驗室

參考期刊文獻:《地球物理研究快報》

論文DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.242002

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