奇异的原子核揭示了夸克世界

CERN和芬兰于韦斯屈莱加速器实验室的实验表明，奇异的铝核26mAl的半径比之前认为的要大得多。刚刚发表在《物理评论快报》上的一篇论文描述了这一结果，揭示了弱力对夸克(构成质子、中子和其他复合粒子的基本粒子)的影响。

在已知的四种自然基本力——电磁力、强力、弱力和重力中，弱力可以以一定的概率改变夸克的“味道”。粒子物理学的标准模型描述了所有粒子及其相互之间的相互作用，它不会预测该概率的值，但对于给定的夸克风味，它确实预测所有可能概率的总和恰好为1。因此，概率和提供了一种测试标准模型和寻找新物理的方法：如果发现概率和不等于1，则意味着超出标准模型的新物理。

有趣的是，涉及上夸克的概率和目前与预期的统一处于明显的张力，尽管张力的强度取决于基础理论计算。这个和包括下夸克、奇夸克和底夸克各自转变为上夸克的概率。

第一个概率体现在原子核的贝塔衰变中，其中中子(由一个上夸克和两个下夸克组成)变成了一个质子(由两个上夸克和一个下夸克组成)，反之亦然。然而，由于经历β衰变的原子核的复杂结构，精确确定该概率通常是不可行的。

因此，研究人员转向对核结构影响不太敏感的β衰变子集来确定概率。表征这种“超级允许”β衰变所需的几个量之一是衰变核的(电荷)半径。

这就是26mAl核半径的新结果，该核经历了超级允许的β衰变。该结果是通过在CERN的ISOLDE设施和欧洲核子研究中心(CERN)的ISOLDE设施和加速器实验室的IGISOL设施。新的半径是ISOLDE和IGISOL数据集的加权平均值，比预测的要大得多，结果是涉及上夸克的概率和中当前表观张力的减弱。

ISOLDE物理学家兼该论文的主要作者PeterPlattner解释说：“之前在ISOLDE和其他设施中已经测量了经历超级允许的β衰变的其他核的电荷半径，并且正在努力确定IGISOL中54Co的半径。”“但是26mAl是一个相当独特的情况，因为虽然它是此类核中研究最精确的，但直到现在它的半径仍然未知，而且事实证明，它比计算概率时假设的要大得多。下夸克转变为上夸克。”

“寻找标准模型之外的新物理，包括那些基于夸克改变味道的概率的物理，通常是一个高精度的游戏，”欧洲核子研究中心理论家安德烈亚斯·朱特纳说。“这一结果强调了以各种可能的方式审查所有相关实验和理论结果的重要性。”

过去和现在世界范围内的粒子物理实验，包括大型强子对撞机的LHCb实验，通过确定夸克味道的各种概率，已经并将继续为我们关于弱力对夸克影响的知识做出重大贡献改变。然而，超允许β衰变的核物理实验目前提供了确定下夸克转变为上夸克概率的最佳方法，并且在可预见的未来很可能仍然如此。