詹妮弗·劳伦·李，国家标准与技术研究所 如果你在镜子里举起五个手指，而你的倒影举起四个，那就是违反奇偶！荣誉:詹妮弗·劳伦·李/NIST 你看不见
你感觉不到
但是科学家称之为暗物质的物质在宇宙中的“含量”可能是从树木、火车和你呼吸的空气到恒星、行星和星际尘埃云形成的常规物质的五倍
尽管科学家们通过大型物体相互环绕的方式间接看到了暗物质的特征——尤其是恒星如何围绕螺旋星系的中心旋转——但没有人知道这种物质是由什么组成的
候选粒子之一是Z玻色子，这是一种理论上存在但从未被探测到的基本粒子
一项新提出的实验可以帮助科学家确定Z玻色子是否真实，从而确定暗物质的可能候选物
为了完成这一任务，来自国家标准与技术研究所(NIST)、荷兰格罗宁根大学、加拿大粒子加速器中心(TRIUMF)和其他合作者的研究人员正在努力对一种极其难以测量的核特性进行迄今为止最精确的测量，这种核特性被称为核自旋相关宇称违反(NSD-光伏)
物理实验——还没有建立——将有一个类似于原子喷泉的喷泉设计，科学家们目前使用原子喷泉作为计时标准
然而，实验将使用每个由三个原子组成的分子，而不是单独的原子
目前还没有人用每个包含两个以上原子的分子建造分子喷泉
此外，与以前类似的方法不同，提出的方法将聚焦于较轻的原子，如碳，这比较重的原子更容易建模，如NIST喷泉钟中使用的铯
该小组的论文发表在本周的《物理评论》上，其中包含了一项实验提案，以及迄今为止研究人员预计收集到的最佳测量计算
在他们的新计算中，研究人员能够预测NSD光伏信号应该是什么，不确定性仅为10%，比以前达到的精度高得多，研究人员说
如果科学家最终获得的信号比他们的计算预测的要大得多，这可能是新物理学的标志——超越我们对宇宙理解框架的物理学
“在这项工作中，我们将我们新颖的实验技术与合作者最先进的核和分子计算相结合，这为测量我们能够测量的一些最不为人知的基本粒子特性开辟了一条道路，”NIST研究员埃里克·诺尔加说
有什么好主意？ NSD-光伏效应是这项工作的重点，它与弱力有关，弱力是宇宙的四种基本力之一
弱力是放射性衰变和聚变的原因，放射性衰变和聚变将一种原子转化为另一种原子
它也在保持电子绕原子核运动的力中起作用
与其他基本力不同，弱力经历了一种叫做宇称违反的情况，这种情况实际上是在最终成为NIST的国家标准局(NBS)发现的
广义而言，宇称违反是指反转一个对象的空间坐标不会反转其行为
(如果你对着镜子举起五个手指，你的倒影举起四个，那就是违反宇称！) 在NSD光伏的例子中，研究人员预计会有某种宇称违反
他们特别寻找的是奇偶校验违规信号中的异常，这是一种与他们预期不同的违规测量
如果他们最好的数学模型告诉他们NSD-光伏信号应该是x，但是他们最好的测量显示信号实际上是y，那么这可能是模型基础不正确的标志——这可能表明宇宙的工作方式与我们想象的不同
这就是衡量NSD宇称违背的重要性
分子喷泉在起作用:比以往任何时候都更好地测量核自旋相关宇称违反(NSD-光伏)的拟议实验图
左:重量轻的三原子分子——在这个例子中由镁、氮和碳组成——被向上发射到一个“相互作用区域”，在那里它们被磁场和电场操纵
右图:这个插图显示了亚原子尺度上正在发生的事情
两种不同的量子态——一个正态和一个负态——实际上是彼此的镜像
但是这两种状态之间存在着差异:消极状态变成积极状态的可能性(用大橙色箭头表示)大于积极状态变成消极状态的可能性(用小橙色箭头表示)
)NSD光伏是造成这种状态差异的原因
曲线代表了本研究中要测量的NSD-光伏相互作用的一个组成部分
信用:埃里克·诺尔加/NIST 大多数测量NSD-光电效应的小组着眼于影响最大的系统，即相对较重的原子——含有大量质子和中子的原子
例如金属铯(55个质子)和钡(56个质子)
但是即使使用重原子，这种影响仍然很小，以至于在20世纪90年代只有一个团队能够看到任何信号
荷兰、三位一体和NIST的研究人员和合作者决定采取不同的方法
如果他们转而在较轻的原子中寻找效应呢？ 独特的方法 重原子有更多的中子、质子和电子，这使得很难计算它们的行为
通过观察更轻、更简单的原子，科学家可以以更高的精度对系统进行建模
这意味着，虽然研究人员将寻找一个较小的影响，但当他们看到它是意想不到的时候，他们可以更加确定
为了进行计算，研究人员重点研究了由相对较轻的元素铍(4个质子)、碳(6个质子)、氮(7个质子)和镁(12个质子)组合而成的三原子分子
对于提议的物理实验，科学家将使用喷泉设计来操纵这些分子
几十年来，物理学家一直在研究原子喷泉
它们是如此强大的技术，以至于成为全世界计时的标准
为了制造喷泉，研究人员使用激光冷却原子，直到它们几乎停止移动
然后科学家用磁铁在真空中向上发射静止的原子
当它们到达弧顶时，重力将它们拉回
当它们被以这种受控的方式操纵时，原子被另一个激光探测，使它们发出荧光
实际上，科学家可以根据被探测时发出的光的颜色来判断分子成分处于什么量子状态
提议的研究将是相似的，除了喷泉将代替单原子操纵三原子分子
进行实验本身将会很复杂——非常复杂，诺尔加说，因为捕获三原子分子仍然远远超出了技术水平
尽管如此，研究人员还是愿意解决这一额外的复杂问题，因为分子中的NSD-光伏信号预计将比单个原子大大约一万亿倍
“现在在NIST，我们正在努力冷却和捕获化学性质相似的双原子分子，这仍然非常困难！”诺尔加德说
“但是捕获双原子分子所需的技术、设备和经验将有助于我们了解如何捕获大分子，并使我们能够进行测量，”这可能使科学家离确定Z玻色子是否存在又近了一步
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