一个很强的常数

蔻享学术 2023-08-02

The following article is from 原理 Author Takeko

夸克是组成质子和中子的基本粒子，在亚原子尺度下，自然界中的四种基本力之一——强力负责将夸克紧紧地束缚在一起。负责传递强力的载力粒子是胶子，它携带“色荷”，能够与同样带有色荷的夸克发生相互作用。

已知的四种基本力分别是引力、电磁力、弱力和强力。（图/Typoform）

强力有许多相当奇特的特征。举个例子，如果想要拉开两个粒子，我们直觉上会认为，随着它们之间距离的增加，它们彼此的“吸引力”也会逐渐变弱，最终产生两个自由的粒子。

如果这两个粒子是电子和质子，那情况确实如此。但是，如果是两个夸克，情况就截然不同了。

当两个夸克被拉开时，强力就好像连接在它们之间的橡皮筋，它们之间的力量反而会越来越强。更神奇的是，当这段“橡皮筋”最终被“拉断”时，也就是我们以为即将得到两个自由的夸克时，这个“断裂的橡皮筋”中储存的能量会在裂口处创造出一个新的夸克和反夸克（反粒子）。最终的结果便是，我们得到了两对夸克，且每一对都牢牢锁定在一起。

当两个夸克被拉开时，它们之间的力会越来越强，这种奇怪的行为被称为“渐近自由”。

这也是为什么迄今为止，人们从未见过单独的夸克。同时，这让测量夸克之间的强力也变得格外困难，它几乎是自然界最难被精确测量的量之一。而想要测量强力的强度，物理学家会测量所谓的强耦合常数（αS）。

一项“强有力”的测量

为了精确的测量强耦合常数，CERN（欧洲核子研究中心）的ATLAS的研究人员将目标锁定在了基本粒子——Z玻色子。

在大型强子对撞机中，当质子相互碰撞时，夸克和反夸克间的湮灭就会产生Z玻色子，这是一个弱相互作用的过程。而强力通过胶子从湮灭的夸克中辐射出来而发挥作用。可以这么简单理解，这个过程就好像给产生的Z玻色子“踹了一脚”，提供了横向的一“踢”，可以通过一种名为横向动量的物理量被测量。

研究的这一过程的费曼图。（图/ATLAS Collaboration, CERN）

而“这一踢”的大小取决于强耦合常数。整个实验和分析过程可以简单概括为，ATLAS通过测量Z玻色子衰变的产物，得到有关横向动量的数据。而通过对Z玻色子横向动量进行精确测量，并将其与同样精确的理论计算进行比较，就能让物理学家得到强耦合常数。

在这项分析中，研究人员只关注Z玻色子衰变为两个轻子（电子或μ子），高精度的仪器和实验让他们能够以优于1%的精度，测量来自衰变产物的Z玻色子横向动量。同时，他们采用了最前沿的复杂理论计算，用理论准确描述了整个过程。这些都是保证实验结果的精度的关键因素。

他们得出，强耦合常数αS（mZ）= 0.11828 ⁺⁰﹒⁰⁰⁰⁸⁴ ₋₀.₀₀₀₈₈ 。这项新结果与世界平均水平相符，是迄今为止最精确的一次测量。

实验中得到的强耦合常数的值与其他测量的比较。（图/CERN）

揭开自然之谜的第一步

这一测量结果表明，在质子-质子对撞机上产生具有竞争力的精确物理学是可能的。