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向冷液氢目标发射电子,成功地测量了质子的弱电荷,还有弱力

信息来源:vooroo.com   时间: 2019-08-02  浏览次数: 81

在托马斯·杰斐逊国家加速器进行的一项实验中,核物理学家通过向冷液氢目标发射电子,成功地测量了质子的弱电荷。这个被称为Q-weak的精密实验为物理学家们解决其成功结论所面临的诸多技术挑战。一个潜在的混淆变量是冷液氢目标本身,这个目标系统是为Q-weak量身定制,即使氢受到无情而精确的自旋电子束轰击,也能保持氢的低温。物理学家们甚至不得不考虑,盛氢的铝容器会对结果产生什么影响。

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由于在解决这一技术挑战方面的贡献,质子弱电荷描述了宇宙四种基本力之一的弱力。用一个电子通过弱力探测质子,可以实际测量弱电荷。但是,正如它的名字所暗示的,弱力是弱的,电子更有可能通过另一种基本力——电磁力与质子相互作用。幸运的是,弱力有一个独特的标记:它违反了称为奇偶校验的普遍对称性,保持奇偶对称性过程发生的概率与其镜像相同。弱力在奇偶变换中表现出不对称性,测量这种不对称可以知道弱力。

向冷液氢目标发射电子,成功地测量了质子的弱电荷,还有弱力

然而要在实验室里真正做到这一点非常困难——这是一种数学运算。相反,Q-weak使用了奇偶变换的替代方法。在电子加速之前,它们是极化的,所以它们都在旋转,要么和光束方向相同,要么和光束方向相反。由于电磁力保持奇偶对称性,所以它与两个方向旋转的电子以同样的方式相互作用。但是因为弱力违反了奇偶对称性,它更多地与在一个方向旋转的电子相互作用。物理学家能够利用这种差异来测量质子的弱电荷。然而,要达到这个标准并非易事。

向冷液氢目标发射电子,成功地测量了质子的弱电荷,还有弱力

在实验中,物理学家测量的一小部分电子实际上从未击中氢靶。相反,一些电子散落在盛氢的铝容器外,污染了物理学家试图测量的弱力信号。这就是科学家的切入点,研究是确定有多少测量到的信号来自铝靶容器,从而将这种信号污染降到最低。为了做到这一点,Q-weak在一些测试中去掉了氢靶,代之以一块与容器相同的铝。然后Q-weak再次向目标发射极化电子,除了没有用氢质子测量奇偶不对称外,用铝原子核测量奇偶不对称。这是第一次测量到这种不对称,也是一件非常令人兴奋的事情。

博科园|研究/来自:托马斯杰斐逊国家加速器

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