一组科学家首次测量了原子核中质子和中子之间难以捉摸的弱相互作用。他们选择了由一个中子和一个质子组成的最简单原子核进行研究。在美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)进行的一项独特中子实验中，实验物理学家们解决了原子核心粒子之间的弱作用力，这种弱作用力是在描述基本粒子及其相互作用的标准模型中预测出来。他们的研究结果对核粒子间的强作用力细微方面非常敏感，这一点目前还不清楚。《物理评论快报》(Physical Review Letters)中描述了该团队的观察结果，这是他们数十年来使用NPDGamma仪器进行的工作高潮。
博科园-科学科普：第一阶段的实验在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行，基于在LANL获得的知识，团队将项目转移到ORNL，以利用实验室散裂中子源产生的高中子束强度。质子和中子是由称为夸克的较小粒子构成，夸克被强相互作用结合在一起，强相互作用是已知四种自然力之一：强作用力、电磁作用力、弱作用力和重力。弱力存在于质子与中子之间的微小距离内；这种强相互作用把夸克限制在中子和质子中。这种弱力还连接了原子核粒子的轴向自旋和运动方向，揭示了夸克如何在质子和中子内部运动的微妙方面。
ORNL中子物理学的合著者、团队负责人戴维·鲍曼(David Bowman)说：实验的目的是分离和测量这种弱相互作用的一个组成部分，这种弱相互作用表现为伽马射线，能够以较高的统计精度进行计数和验证。要看到这种微小的影响，必须探测很多伽马射线。NPDGamma实验是在SNS的基本中子物理波束线进行的第一个实验，它引导冷中子向液氢的目标运动。该装置被设计用来控制缓慢运动的中子自旋方向，根据需要将它们从自旋向上“翻转”到自旋向下的位置。当操纵的中子撞击目标时，它们与液氢原子中的质子相互作用，发出由特殊传感器测量的伽马射线。
科学家们分析了NPDGamma实验中发射的伽马射线，发现了违背对称性，即中子和质子之间作用力的一种特殊变化。测量出当液态氢中的质子捕获中子时，伽马射线发射的方向与中子自旋方向相反时，伽马射线的倾向性为百万分之30。在观察到下降的伽玛数大于上升的伽玛数后，实验首次解决了弱力的镜像非对称分量或旋向性问题。图片： Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy
在分析了伽马射线之后，科学家们发现了违背对称性的不对称性，即中子和质子之间作用力的一种特殊变化。如果奇偶性守恒，一个原子核以右旋的方式旋转，另一个以左旋的方式旋转（就好像它们是镜像图像一样）就会产生相同数量的伽马辐射。但事实上观察到下降的伽玛数比上升的伽玛数要多，这就成功地分离和测量了弱力的镜像非对称分量。科学家们在大约20年的时间里进行了多次实验，对伽马射线进行计数和表征，并根据中子自旋方向等因素从这些事件中收集数据。与之前在洛斯阿拉莫斯中子科学中心(Los Alamos Neutron Science Center)进行的操作相比，高强度的SNS以及其他改进使得计数率提高了近100倍。
NPDGamma实验的结果填补了重要的信息，但仍有理论有待验证。印第安纳大学(Indiana University)实验核物理学教授、论文合著者w·迈克尔·斯诺(W. Michael Snow)说：对于质子和中子内部夸克之间的弱作用力，存在一种理论，但夸克之间的强作用力如何转化为质子和中子之间的作用力，人们尚未完全理解，这仍然是一个未解决的问题。他将弱力与强力的测量作为一种示踪剂进行了比较，类似于生物学中的示踪剂，它能在不干扰系统的情况下揭示出人们对系统感兴趣的过程。弱相互作用使我们能够揭示原子核内夸克动力学的一些独特特征。
博科园-科学科普｜研究/来自：橡树岭国家实验室
参考期刊文献:《地球物理研究快报》
论文DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.242002
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