自然的彩票镜子:新发现可以解释质子中的混淆不对称

质子的图形

质子的图示。大的球体代表三个价夸克,小的球体代表其他组成质子的夸克,而弹簧则代表将它们凝聚在一起的核力。来源:布鲁克海文国家实验室

质子中的不对称混淆物理学家,但新发现可能会带回旧理论来解释它。

对称 - 在数学和艺术的范围内显示出生物体和星系 - 是自然界的重要潜在结构。它表征了我们的宇宙,使其能够被研究和理解。

因为对称性是这种普遍的主题本质上,当物体似乎应该是对称时,物理学家特别喜欢,但它不是。当科学家面对这些破碎的对称时,就好像他们在镜子里发现了一个具有奇怪反射的物体。

“大自然是为了获得第二种外观的旧模型中的概念。”- argonne物理学家Don Geesaman

质子,在每个中心存在的带正电荷的粒子原子,在化妆中显示不对称。美国能源部的物理学家(DOE)Argonne国家实验室及其合作者最近通过在Doe Fermi National Accelerator实验室进行的实验调查了这种已知破碎对称性的复杂性。实验结果可以通过恢复先前丢弃其内部工作的理论来改变质子的研究。

这个实验的结果与上世纪90年代末费米实验室进行的一项研究的结论相矛盾。科学家们现在可以重新审视描述质子不对称性的理论,而旧的实验已经排除了这种可能性。

了解质子的属性有助于物理学家在所有科学中回答一些最基本的问题,并通过调查世界上最小的世界,科学家正在推进我们每天使用的技术。对质子的研究导致了对癌症治疗的质子疗法的发展,空间旅行期间质子辐射的测量甚至理解星形形成和早期宇宙。

“我们能够查看质子内的令人困惑的动态,”氩气家唐戈·盖恩曼说,“并通过这个实验,自然是对旧型号的概念来实现第二种外观的概念。”

不匹配的事情

正如形状可以具有对称性,颗粒也可以。完美的圆圈由面向相反方向的两个半圆形组成,并且宇宙中的每种类型的粒子具有相同的电荷与相同的质量的抗粒子。

质子不对称装置

实验中使用的装置的图像。质子束穿过所示层中的每一个。信贷:费米国家加速器实验室

质子的构建块包括称为夸克的颗粒,以及他们的抗肛门,称为Antiquarks。他们进入“味道”,如上,下降,抗起伏。夸克和古董通过强大的核力量在质子内束缚在一起。这种力的强度可以拉出一对夸克和古地克,而且在互相湮灭之前,这些对存在短时间内。在质子里,这个“海”的夸克和古夸克的夸克和古董的出现始终存在。

好奇地,在任何给定的时间,有三种夸克比古董:两个更多的夸克,而不是抗夸克,并且比禁止夸克更下夸克。换句话说,这些不匹配的夸克没有反物质对应物。这种不对称是质子是正电荷的原因,允许原子 - 因此所有物质 - 存在。

参与这项研究的阿贡物理学家保罗·雷默说:“对于质子中的夸克以及它们如何产生质子的特性,我们仍然没有完全了解。”“夸克-反夸克对的短暂特性使得它们存在于质子中很难研究,但在这个实验中,我们发现了反夸克的湮灭,这让我们了解了不对称性。”

Drell-yan alpha

夸克湮灭(左红线)的图形,产生光子(中线),并产生两个μONs(右洋红色线)。科学家检测了这些μONs,深入了解质子的夸克不对称。信贷:保罗雷默/ argonne国家实验室

实验确定了质子中总比抗夸克的抗下夸克,无论夸克的势头。这一结果的重要性是它与90年代后期的Fermilab实验结束的矛盾,这表明在高势头,质子的不对称逆转,这意味着抗夸克开始主导抗辩夸克。

“我们设计了新实验,以查看这些高势头来确定是否真实地发生这种变化,”Reimer说。“我们表明,抗启动和抗下夸克之间没有比率的平稳不对称。”

重建湮灭

为了探测质子中的夸克和古董,科学家们在靶标中射出了质子的束,并研究了颗粒碰撞的后果。具体来说,他们研究了从梁的质子击中靶中的质子后发生的事情。

当质子碰撞时,来自质子的夸克和反夸克会互相湮灭。然后,两个叫做μ子的新基本粒子从湮灭中产生,作为相互作用的标志。通过这些相互作用,科学家们确定了在高动量范围内反向上夸克和反向下夸克的比例。

“我们选择测量μONs,因为它们可以通过材料优于大多数其他碰撞碎片,”reimer说。在目标和他们的测量装置之间,团队放置了一个五米厚的铁墙,以阻止其他颗粒通过并覆盖它们的信号。

当MUONS在旅程结束时击中测量设备时,科学家从测量中重建了夸克 - 抗型湮灭,使它们能够确认抗抑化夸克的顺利,一致的比例。

第二个外观

“我们认为我们在以前的实验中看到的是什么情况,”Geesaman说,他们是目前和以前研究的一部分。“虽然为什么?那是下一步。“

在他们矛盾后被拒绝的理论现在对新数据的良好描述提供了很好的描述,并且由于这个实验,科学家可以重新审视它们更有信心。这些理论将对质子和其他颗粒的不对称进行进一步的实验,并加以我们对围绕夸克的理论的理解。

关于质子中夸克的性质的线索最终导致了对原子核更好的理解。了解原子核可以解开原子的神秘性质,以及不同的化学元素如何相互反应。质子研究涉及的领域包括化学,天文学,宇宙学和生物学,导致医学,材料科学和更多的进展。yabovip2021yabo124

“你需要实验领导思维和约束理论,在这里,我们正在寻找大自然,让我们深入了解质子的动态,”Geesaman说。“这是一种实验和理论的交错循环,导致有影响力的研究。”

参考:《质子反物质的不对称性》,2021年2月24日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03282 - z

这项工作是由Seaquest合作执行的,该协作部分由Doe的核物理和国家科学基金会提供支持。

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