Proton weak charge determined for first time: Initial Q-weak experiement results
http://phys.org/news/2013-09-proton-weak-q-weak-results.html2013.09.17
(Phys.org) -- 在美國能源部 Thomas Jefferson 國家加速器設施（Jefferson Lab）進行的研究，讓科學家首度實驗性地測定質子的弱荷（weak charge）。
這些結果（已獲准刊在 Physical Review Letters 上）也包括中子，以及上夸克與下夸克之弱荷的測定。這些測量結果則結合了新資料與其他實驗所發表的資料。雖然這些初步的輪廓為迄今最精確的測定，不過這項研究所分析的資料，只佔了這項實驗所獲資料的 4%，完整的資料分析預計還要花一年的時間才能完成。
弱力（weak force，弱核力、弱交互作用）為我們宇宙中四大基本力之一，其餘包括重力、電磁力與強力（strong force，強核力，強交互作用）。雖然弱力僅作用在次原子層次上，不過我們能在日常生活中看見其效果。弱力在恆星內所發生的核反應過程中扮演了一種關鍵的角色，而許多在我們宇宙中現身的天然輻射都因它而起。
Q-weak 實驗是由一個跨國核子物理學家小組所設計，他們十幾年前聚在一起，於 Jefferson Lab 提出一種新的測量。他們提出對質子的弱荷（標記為 Q_W^p）進行世上首次直接測量；這代表弱力在質子上的拉扯強度，一個質子經弱力進行交互作用的強度有多強的一種測量值。因為質子的弱荷已由標準模型（那是一種經過完善測試的理論性框架，描述了基本粒子以及它們如何進行交互作用的細節）所精確預測，故那是一種可進行實驗性測量的「理想參數」，成為標準模型的一項測試。
為完成這項實驗，科學家將一道非常強的電子束引導至一個液態氫的容器中。這些電子為縱向極化（longitudinally polarized，沿著其運動方向或相反於其運動方向自旋）電子。那些只與質子進行小角度碰撞（glancing collisions）的電子（彈性散射，在此質子依然完好如初），在小角度少上浮現，並且被強大的電磁力反射到八個對稱放置的偵測器上。
弱力遠比電磁力弱。以古典（物理學）說法來看，你可以這麼想：每一百萬個電子透過電磁力與質子進行交互作用之後，才有一個電子經由弱力進行交互作用。物理學利用這二種力之間的一種重要差異 -- 弱力違逆一種稱為宇稱（parity）的對稱，那顛倒所有空間性方向，將我們的右撇子（right-handed）世界轉變成左撇子 -- 從而測得這些稀少的弱交互作用。在一個反宇稱世界（opposite-parity world）中，那些自旋軸朝向電子運動方向的電子，將經由電磁力以相同強度與質子進行交互作用。在此，弱力被納入考量，具右撇子自旋的電子其交互作用與左撇子的不同。將實驗中的其他參數維持一致，同時只顛倒電子束的偏振方向，科學家能利用二種偏振方向間的差異，或測量的「不對稱性」來分離出弱交互作用的效果。目標是要盡可能準確地測量這種差異性，大約只有 2 ppb。這種精確程度相當於測量艾菲爾鐵塔上的一張紙的厚度。
Q-weak 實驗資料的初步分析，產生了一個 Q_W^p 值，那與標準模型預測非常吻合。然而，這項合作案有 25 倍以上的資料接著被用在這次最初測定中。最終結果應能提供一項嚴謹的標準模型實驗測試，在歐洲 CERN 之 LHC 所探索過的能量尺度下，對新物理學設限。
"讀者應當將這次結果視為質子弱荷的第一次測定。我們的最終發表將聚焦在與「潛在的新物理學」有關的影響上，" Roger Carlini 表示，Jefferson Lab 專任科學家以及 Q-weak Collaboration 的發言人。
Q-weak 實驗最初在 2002 年一月通過。將近一年之久的實驗設備安裝期始於 2009 年，緊接在後的是從 2010 - 2012 年，為期二年的資料收集期。
在過去十年間的數種科技成就使這項實驗得以成真。這包括 Jefferson Lab 的 Continuous Electron Beam Accelerator Facility 所提供的高電流、高偏振、極度穩定的電子束；世上功率最高的低溫氫標靶；極端硬輻射（radiation-hard）Cerenkov 偵測器；以超低雜訊電子裝置讀取訊號，同時精確測量束電流（beam current）；一套使用背向散射雷射的系統，測量電子束偏振能比百分之一還要好。到目前為止所發表的資料中，這些科技成就所產生的總不確定性（total uncertainty）只有驚人的 47 ppb 這麼小。
※ 論文尚未出爐，容後補。
＊ First Determination of the Weak Charge of the Proton
http://arxiv.org/abs/1307.5275
Qweak Collaboration
arXiv:1307.5275 [nucl-ex]
＊ 標準模型之外的新物理學？（節譯）
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