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质子弱电荷的精确测量缩小了对新物理学的研究

时间:2019-10-06 16:57 文章来源:利来国际最给力的老牌新网站 点击次数:

  能源部托马斯杰斐逊国家加速器设施的Q弱实验的新结果提供了对弱力的精确测试,这是自然界中四种基本力量之一。最近在“ 自然”杂志上发表的这一结果也限制了新粒子和力量超出我们现有知识的可能性。

  “像这样的精确测量可以作为一个潜在新粒子世界的窗口,否则可能只能使用目前超出我们技术能力范围的极高能量加速器来观察,”杰斐逊实验室科学家罗杰卡里尼说。 Q-weak Collaboration的联合发言人。

  虽然弱势力很难直接观察,但它的影响可以在我们的日常生活中感受到。例如,它启动了为太阳提供动力的反应链,它为放射性衰变提供了一种机制,可以部分加热地球核心,使医生无需手术即可检测体内疾病。

  现在,Q-weak Collaboration揭示了弱势力量的一个秘密:它对质子的精确控制力。他们通过测量质子的弱电荷到高精度来做到这一点,他们使用连续电子束加速器设施(DOE科学用户设施办公室)提供的高质量光束进行探测。

  

  质子的弱电荷类似于其更熟悉的电荷,这是质子从电磁力中受到的影响的量度。这两种相互作用在标准模型中是密切相关的,标准模型是一种非常成功的理论,它将电磁和弱力描述为与亚原子粒子相互作用的单一力的两个不同方面。

  为了测量质子的弱电荷,将强电子束引导到含有冷液氢的靶上,并且在精确的定制测量装置中检测从该靶散射的电子。Q弱实验的关键在于光束中的电子是高度偏振的 - 在加速之前准备好在一个方向上大部分“旋转”,与光束方向平行或反平行。随着极化方向以受控方式快速反转,实验者能够锁定弱相互作用的奇偶性(类似于镜像对称性)违反的独特属性,以便将其微小效应隔离到高精度:不同的散射率对于两个光束偏振态,测量了大约2个1000万个部分。

  发现质子的弱电荷为QWp = 0.07190.0045,这与标准模型的预测非常一致,后者考虑了所有已知的亚原子粒子和作用于它们的力。因为质子的弱电荷在这个模型中被如此精确地预测,所以新的Q弱结果提供了对迄今未观察到的重粒子的预测的洞察,例如可能由欧洲CERN的大型强子对撞机(LHC)或未来产生的那些。高能粒子加速器。

  “这个非常具有挑战性的实验结果是世界范围内寻找新物理学的另一条线索,超出了我们目前的理解范围。有充分的证据表明,粒子物理学的标准模型只提供了对自然现象的不完整描述,但突破将来临的地方仍然存在难以捉摸,“能源部核科学副主任Timothy J. Hallman说。“像Q-weak这样的实验越来越接近寻找答案。”

  例如,Q弱结果对leptoquarks的可能存在设定了限制,leptoquarks是假设的粒子,可以逆转两大类非常不同的基本粒子的身份 - 将夸克(核物质的构建块)变成轻子(电子和它们较重的对应物),反之亦然。

  “经过十多年的精心研究,Q-weak不仅告知标准模型,它表明极端精确度可以使中等能量实验达到与科学可用的最大加速器相当的效果,”助理安妮金尼说。国家科学基金会数理和物理科学理事会主任。“在标准模型之外的物理搜索中,这种精确度非常重要,因为新的粒子效应可能会出现极小的偏差。”

  “这是补充信息。因此,如果他们在未来的大型强子对撞机中找到新物理的证据,我们可以帮助确定它可能是什么,从我们在本文中已经设定的极限,”杰弗逊史密斯,杰斐逊实验室说。科学家和Q弱项目经理。

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