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April 28th, 2009
大強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）是一部巨大的粒子加速器，其 17 英里長的隧道橫跨法國與瑞士邊界。美國內華達大學 Reno 分校（UNR）一群物理學家已分析來自這部加速器的資料，那最終能證明或反駁自然界第五種力的可能性。
身為有史以來所建造的最大規模科學儀器，LHC 讓科學社群忙碌中又帶興奮，因為它也許能幫助了解大自然的內部運作。
值得注意的是，某些也許能在這個 60 億美元的設施中研究研究的新物理，也能使用低成本的、適合一間典型實驗室的實驗來探測。
在一篇即將到來的 Physical Review Letter 文章中，UNR 物理學家報告一項實驗的分析，那與原子中鏡像對稱（mirror symmetry）的違逆有關。他們的精緻分析為一種假定粒子，extra Z-boson（額外 Z-玻色子），立下了新的限制，開拓 LHC 在低能部份所達成的發現。
Andrei Derevianko，物理學系的副教授（他指導過開創性的研究來改善世上最精確原子鐘的報時能力），是一項被認為是迄今最精確的、弱電耦合（electroweak coupling）強度之低能量測定背後的主角之一。這種耦合發生在原子的電子以及原子核的夸克之間。
Derevianko 及其同僚將 Dr. Carl Wieman（一位諾貝爾桂冠，譯註：他在 1995 年與 Eric Allin Cornell 製造出第一個真正的 BEC）所完成的測量與銫（cesium）原子中的高精確度計算結合，藉此決定了耦合強度。
由 Wieman 所完成的原始研究，利用一套位於科羅拉多大學 Boulder 分校的桌上型儀器完成。這個 Boulder 團隊監測到原子中弱作用力（weak force）的一陣「刺痛（twinge）」，若非如此那就會被電磁力所統治。基本粒子的標準模型（在 1970 年代初期發展），認為被稱之為 Z-bosons（Z-玻色子）的重粒子，攜帶這種弱作用力。相較於電磁力，這種弱作用力違逆了鏡像對稱：一個原子及其鏡像表現並不相同。這即是物理學家所謂的「宇稱違逆（parity violation）」。
根據 Derevianko 表示，Boulder 小組的實驗開啟了新問題的大門。
"它指出某種不一致，並對某種新物理學的可能性做出暗示，具體來說，即extra Z-bosons（額外 Z-玻色子），" 他說。
Boulder 實驗的詮釋需要理論的投入。這種分析需要詳盡理解銫原子 55 個電子的相關運動。這並非一件易事，因為儲存完整量子力學波函數所需要的記憶單元數量超過經推估的、在宇宙中的原子數量。與先前分析相較，達到下個等級的精確度，需使計算複雜度增加 1000 倍。
當研究者致力發展一種更加精確的標準模型試驗時，這篇論文代表了一種戲劇性的改進。Derevianko 的小組，那包括 Dr. S. Porsev 以及一些學生，過去八年來都在進行 Boulder 實驗的分析。
"終於，電腦技術趕上此問題的運算需求，所以我們能著手對付這個問題，" Derevianko 表示。"在這種複雜的問題裡，我大大受惠於共同研究。例如，一位同事的共同作者 Kyle Beloy，最近被學校認定為 Outstanding Graduate Researcher。"
與先前精確度較差的 Boulder 實驗詮釋相較，Derevianko 的小組發現某種完美的、與標準模型預測相符的一致性，這在粒子物理那方面握有重要的牽連。
"原子的宇稱違逆對於超越基本粒子之標準模型的新物理設下強大的約束，" Derevianko 表示。"利用這個新發現的精確性，我們正進行比「傾聽」原子還要更棒的工作。"
藉由精練與改進計算結果，Derevianko 表示，對於假設粒子（extra Z-bosons）有更好的理解在這裡是可能的，那可能是到目前為止仍難以理解的自然第五力的載體。多年來，物理學努力進行實驗以證明或反駁，大自然第五種力的可能性。
目前自然界已知有四種基本力。除了重力之外，電磁學（electromagnetism）創造了光、無線電波與輻射的其他形式。其他二種力僅在原子等級下運作：這裡有強作用力（strong force），那結合（束縛）原子核中的粒子以及弱作用力（weak force），當原子在放射性衰退中分裂，或著像 Boulder 實驗那樣，透過宇稱違逆（parity violation），才會展現它自己，
第五種力的可能性，對長久以來的信念：所有物質的重力都一樣，可能會提出質疑。
"超越標準模型的新物理是下個邊疆，" Derevianko 說，"這研究有很大一部份是這種理論性動機。"
※ 相關報導：（論文尚未刊出，僅預印版）
＊ Precision determination of electroweak coupling from atomic parity violation and implications for particle physics
http://arxiv.org/abs/0902.0335
S. G. Porsev, K. Beloy, A. Derevianko＊ 費米實驗室對撞實驗發現罕見的單一頂夸克
arXiv: 0902.0335v1 [hep-ph]
＊ 量子尺度下的時空可能有碎形特性
＊ 新研究連結熱轉移與材料結合強度
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