重新测量一个物理常数

1.

宇宙的一些基本性质可以由一些物理学常数来定义，例如光速、电子电荷、电子质量，或者是定义了自然力强度的耦合常数等等，没有人能解释为什么这些常数就恰好等于这些数值。最近，来自德国、奥地利和法国的物理学家，以前所未有的精度，对一个至关重要的物理学常数进行了重新测量，它就是被称为“弱轴向矢量耦合常数”的一个常数，缩写为g_A。

这是一个与基础物理学研究息息相关的物理学常数，它对解释太阳核聚变，研究大爆炸不久之后元素的形成，或理解粒子物理学中的重要实验都是不可或缺的。在精密的中子实验的帮助下，物理学家现在已经将耦合常数g_A的值的精确度确定到0.04%，这一精度是史无前例的，他们将新的结果发表在了近期的《物理评论快报》上。

2.

我们知道，宇宙中存在四种基本力：电磁力、强核力、弱核力，以及引力。若要计算这些力，就必须知道那些能确定它们强度的参数，这对于弱相互作用来说是个尤其复杂的问题。弱相互作用在某些粒子转化为其他粒子时起着至关重要的作用，比如当两个质子在太阳中合并成一个原子核，其中一个变成中子时。要分析这一过程，就必须知道“弱轴矢量耦合常数”g_A。

到目前为止，物理学家已经多次尝试过对g_A进行测量，但是其中一些还需要系统的修正。一些重大的干扰因素甚至能对结果的数值产生高达30%的影响。

20世纪80年代，物理学教授Dirk Dubbers在海德堡提出了一种名为“PERKEO”的测量原理。研究人员对这一测量方法进行了显著的改良，创造出了PERKEO 3，从而成功地以远远超过了以前的所有实验的精确度对这一常数进行了新的测量。

在实验中，他们用PERKEO探测器分析了中子的衰变。中子会衰变为质子并释放出中微子和电子，这个电子发射过程并不是完全对称的，向其中一边发射的电子总是比另一边多，这种不对称取决于中子的自旋方向。PERKEO探测器会利用强磁场来收集这些电子，然后对它们进行计数。通过得出不对称的强度，也就是在两个不同方向上的电子数差异，就能直接推导出耦合常数g_A的值。

3.

知道耦合常数g_A的精确数值对于现代物理学的许多领域来说都是有着非常重大的意义：大约在大爆炸的一秒之后，“原始核合成”过程开始形成第一批元素。那时的元素比例很大程度上取决于g_A。最初几秒钟的核合成决定了今天宇宙中的化学成分。另外，这一耦合常数也与暗物质和普通物质的关系有关。不仅如此，若想要提高一些大规模实验的准确度，比如欧洲核子研究中心（CERN）的粒子对撞实验，就必须拥有更高精确度的g_A。

原文链接：

[1] https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/measuring-the-laws-of-nature/

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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