橡树岭国家实验室 在ORNL进行的n-氦-3精密实验，通过探测中子和氦-3原子核结合时产生的微小电信号来测量质子和中子之间的微弱作用力，然后当它们穿过氦气靶细胞时衰变
信用:安迪斯普劳斯/ORNL，美国
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能量的 通过能源部橡树岭国家实验室的一项独一无二的实验，核物理学家精确测量了质子和中子之间的弱相互作用
这个结果量化了粒子物理标准模型所预测的弱力理论
该小组的弱力观测，在《物理评论快报》中有详细描述，是通过一个名为n3He或n-氦-3的精密实验测量的，该实验在ORNL散裂中子源或SNS运行
他们的发现产生了迄今为止原子核中任何可比较的弱力测量的最小不确定性，这建立了一个重要的基准
标准模型描述了宇宙中物质的基本组成部分以及它们之间的基本作用力
计算和测量质子和中子之间的弱力是一项极其困难的任务
“因为我们寻找的相互作用非常弱，所以我们希望在精密核物理实验中检测到的影响非常小，因此极难观察，”大卫·鲍曼说，他是ORNL基础中子物理学的合著者和团队负责人
弱力是自然界四种基本力之一，与强核力、电磁力和重力一起，描述了构成质子和中子的亚原子粒子夸克之间的相互作用
弱力也是原子放射性衰变的原因
弱力的某些机制是标准模型中最难理解的方面
探测难以捉摸的弱相互作用需要由大型国际团队领导的高精度实验，这些团队拥有最先进的仪器和具有极高中子通量的世界级冷中子源，如SNS的基本中子物理束线
SNS产生的中子是精确实验的理想选择，精确实验解决了弱力在中子和其他原子核反应中的作用
鲍曼是该领域的首席科学家，自20世纪60年代初以来一直在研究核物理和亚原子相互作用
“一开始，从实证研究的角度收集了一些现象学的核模型
但是，近年来，核环境中弱力相互作用的计算取得了重大进展，”他说
“新的核技术已经在不同的自由度上变得可用，并且计算现在处于非常先进的水平
" 科学家们的最新实验集中在氦-3上，氦-3是一种轻而稳定的同位素，由两个质子和一个中子组成，是自然界中唯一一种质子多于中子的元素
“当一个中子和一个氦-3原子核结合时，反应产生一个受激的、不稳定的氦-4同位素，衰变为一个质子和一个三重态(由两个中子和一个质子组成)，当它们穿过靶细胞中的氦气时，都会产生一个微小但可检测的电信号，”相应的作者、马尼托巴大学亚原子物理学教授迈克尔·格里克尔说
n-氦-3实验使用的中子束线、偏振器和诊断方法与其前身NPDGamma相同，后者使用液态氢靶，通过中子-质子相互作用产生伽马射线
研究小组发现，相对于中子的旋转方向，更多的伽马射线下降而不是上升，这导致了对弱力的镜面不对称分量的成功测量
与NPDGamma类似，n-氦-3实验是十年研究、准备和分析的高潮
实验的配置创造了一个极低的背景环境，在进入装有氦-3气体的容器之前可以控制中子
格里克领导的团队建造了氦-3混合靶和探测器系统，旨在拾取非常小的信号，并领导了随后的分析
在实验中，一束缓慢移动的冷中子进入氦-3靶
一种仪器被设计用来控制氦-3原子的核自旋方向
当中子与磁场相互作用时，另一个装置将它们的自旋方向向上或向下翻转，定义了自旋状态
当中子到达目标时，它们与氦-3原子中的质子相互作用，发出由敏感电子设备测量的电流信号
“我们必须开发一种独特的靶气室，同时作为位置敏感探测器来测量反应的亚原子产物，”盖里克尔说
“为了适应这个实验的不同运行条件，我们发明了一种新的装置，需要在中子与氦-3靶反应之前反转它们的自旋方向，”合著者、肯塔基大学的核物理教授克里斯托弗·克劳福德说
“这种通用旋转鳍能够在大的中子速度范围内高效率地工作
" 弱力实验必须与强力的支配性质和可能扭曲数据的背景噪声作斗争
克劳福德说:“氮氦3实验必须对非常小的影响敏感——比背景小1亿倍。”
“这就像在一个装满干草的40英尺高的谷仓里寻找一根1英寸长的针
" 在大约一年的时间里，研究小组收集并分析了数据，以确定宇称违背的强度，宇称违背是中子和质子之间弱力的一种特殊性质
这种现象是弱力所特有的，在强力、电磁力或重力中是观察不到的
n-氦-3通过测量两种中子极化的反应产物的中子自旋和输出动量的组合，利用了由良好控制的中子极化获得的实验结构的对称性
克劳福德说:“这有一定的惯用手。”
“因为在镜子里，右手和左手看起来是相反的，所以这种观察对其他三种力量的影响完全不敏感
" n-氦-3的结果和NPDGamma一起改变了核物理学家理解原子核中弱力作用的方式
两者都有助于通过进行精确计算的能力来回答标准模型中的突出问题
“现在接下来会发生什么，我们需要更多的测量——就像我们在社交网络上获得的这些非常精确的测量，”鲍曼说
“这一领域的进步需要实验学家和理论家之间的对话
随着像我们这样的实验结果的出现，他们对理论进行了基准测试，这使得理论家们能够改进预测新的可观测性的模型，这些新的可观测性可以通过实验获得
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