托马斯·杰斐逊国家加速器设施提取强力耦合,揭示宇宙最大距离

托马斯·杰斐逊国家加速器设施提取强力耦合,揭示宇宙最大距离

图片来源:托马斯·杰斐逊国家加速器设施

当2012年发现这种难以捉摸的粒子时,人们对希格斯玻色子做了很多争论。虽然它被吹捧为赋予普通物质质量,但与希格斯场的相互作用只产生普通质量的1%左右。另外99%来自与强力相关的现象,强力是将称为夸克的较小粒子结合成称为质子和中子的较大粒子的基本力,这些粒子组成了普通物质原子的原子核。

现在,美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的研究人员已经通过实验提取了强力的强度,这一数量坚定地支持了解释宇宙中大部分质量或普通物质是如何产生的理论。

这个量,称为强力的耦合,描述了两个物体在这种力下相互作用或“耦合”的强度。强力耦合随受力影响的颗粒之间的距离而变化。在这项研究之前,关于强力耦合在远距离上应该如何表现的理论存在分歧:一些人预测它应该随着距离而增长,一些人认为它应该减少,一些人认为它应该变得恒定。

通过杰斐逊实验室的数据,物理学家能够确定迄今为止最大距离的强力耦合。他们的研究结果为理论预测提供了实验支持,最近在《粒子》杂志的封面上刊

“我们很高兴和兴奋地看到我们的努力得到认可,”杰斐逊实验室高级科学家,该论文的合著者Jian-Ping Chen说。

虽然这篇论文是多年数据收集和分析的结晶,但起初并不完全是故意的。

自旋实验的衍生产品

在夸克之间的距离较小时,强力耦合很小,物理学家可以用标准的迭代方法求解它。然而,在较大的距离上,强力耦合变得如此之大,以至于迭代方法不再起作用。

“这既是诅咒,也是祝福,”杰斐逊实验室的科学家、该论文的合著者亚历山大·杜尔(Alexandre Deur)说。“虽然我们必须使用更复杂的技术来计算这个数量,但它的纯粹价值释放了许多非常重要的新兴现象。

这包括一种占宇宙中普通质量99%的机制。(但我们稍后会谈到这一点。

尽管面临无法使用迭代方法的挑战,但Deur,Chen和他们的合着者在受影响物体之间有史以来最远的距离上提取了强力耦合。

他们从杰斐逊实验室的少数实验中提取了这个值,这些实验实际上是为了研究完全不同的东西而设计的:质子和中子自旋。

这些实验是在实验室的连续电子束加速器设施中进行的,该设施是DOE用户设施。CEBAF能够提供极化电子束,这些电子束可以被引导到实验大厅中含有极化质子和中子的专用目标上。当电子束极化时,这意味着大多数电子都朝同一方向旋转。

这些实验将杰斐逊实验室的极化电子束射向偏振质子或中子目标。在随后几年的数据分析中,研究人员意识到他们可以结合收集到的有关质子和中子的信息,在更远的距离上提取强力耦合。

“只有杰斐逊实验室的高性能偏振电子束,结合偏振目标和检测系统的发展,使我们能够获得这些数据,”陈说。

他们发现,随着受影响物体之间距离的增加,强力耦合在趋于平稳并变得恒定之前迅速增长。

“有一些理论预测情况应该如此,但这是我们第一次在实验中真正看到这一点,”陈说。“这为我们提供了关于形成质子和中子的夸克尺度上的强力如何实际工作的细节。

平稳支持大量理论

这些实验是在大约10年前进行的,当时杰斐逊实验室的电子束能够提供高达6 GeV能量的电子(现在能够提供高达12 GeV的能量)。需要低能电子束来检查这些较大距离的强力:低能探头允许进入更长的时间尺度,因此受影响的粒子之间的距离更大。

同样,高能探测器对于放大较短的时间尺度和粒子之间更小距离的视图至关重要。具有高能束的实验室,如CERN,费米国家加速器实验室和SLAC国家加速器实验室,已经检查了这些较小时空尺度上的强力耦合,当这个值相对较小时。

高能光束提供的放大视图表明,夸克的质量很小,只有几MeV。至少,这是他们的教科书质量。但是当用较低的能量探测夸克时,它们的质量有效地增长到300 MeV。

这是因为夸克聚集了一团胶子,胶子是携带强力的粒子,因为它们在更远的距离上移动。这种云的质量产生效应占了宇宙中质量的大部分——如果没有这个额外的质量,教科书中的夸克质量只能占质子和中子质量的1%左右。另外99%来自这个获得性质量。

类似地,一种理论认为胶子在短距离内是无质量的,但是当它们进一步行进时,它们有效地获得了质量。在远距离进行强力耦合的调平支持了这一理论。

“如果胶子在远距离上保持无质量,强力耦合将继续不受控制地增长,”Deur说。“我们的测量表明,随着探测的距离变大,强力耦合变得恒定,这表明胶子通过相同的机制获得了质量,该机制将99%的质量提供给质子和中子。

这意味着在远距离上进行强力耦合对于理解这种质量产生机制非常重要。这些结果还有助于验证解决量子色动力学(QCD)方程的新方法,QCD是描述强力的公认理论。

例如,远距离强力耦合的扁平化提供了证据,证明物理学家可以应用一种新的尖端技术,称为反德西特/共形场论(AdS / CFT)对偶性。AdS / CFT技术允许物理学家非迭代求解方程,这可以帮助在迭代方法失败的远距离进行强力计算。

“共形场论”中的共形意味着该技术基于在所有时空尺度上表现相同的理论。由于强力耦合在较大距离处趋同,因此它不再依赖于时空尺度,这意味着强力是共形的,并且可以施加AdS / CFT。虽然理论家们已经将AdS / CFT应用于QCD,但这些数据支持该技术的使用。

“AdS / CFT使我们能够解决迄今为止难以解决的QCD或量子引力问题,或者使用不是很严格的模型非常粗略地解决,”Deur说。“这为基础物理学带来了许多令人兴奋的见解。

因此,虽然这些结果是由实验主义者产生的,但它们对理论家的影响最大。

“我相信这些结果是量子色动力学和强子物理学进步的真正突破,”SLAC国家加速器实验室名誉教授,QCD理论家Stanley Brodsky说。“我祝贺杰斐逊实验室物理学界,特别是亚历山大·杜尔博士,在物理学上取得了这一重大进展。

自从意外地进行这些结果的实验以来,已经过去了好几年。一套全新的实验现在使用杰斐逊实验室的高能12 GeV束来探索核物理。

“我对所有这些较早的实验感到非常高兴的一件事是,我们培养了许多年轻学生,他们现在已成为未来实验的领导者,”陈说。

只有时间才能证明这些新实验支持哪些理论。