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2023年 35卷 1期 刊出日期 2023-02-25
W玻色子质量精确测量专题
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W玻色子质量精确测量专题
3 挑战粒子物理标准模型：“超重”的W规范玻色子
卢致廷, 武雷, 吴永成
提到W玻色子的历史,必须简要地回顾弱相互作用的发展过程。弱相互作用首先是从核β衰变(n → p+e-+Ve)的观测中推断出来。在1935年,恩里科·费米(Enrico Fermi)率先提出了第一个弱相互作用理论,其相互作用的形式与电磁相互作用的形式类似,并以所谓的费米常数(GF)为此相互作用的特征耦合。通过比较电磁与弱相互作用的大小,弱相互作用的强度约为电磁作用的万分之一,这也是"弱相互作用"名称的由来。费米的理论在当时成功地描述了低能弱相互作用,因此被物理学家们广泛地使用。然而此理论在高能时会破坏么正性,只能被视为低能时的有效理论。完整的弱相互作用理论要延迟到20世纪60年代,通过格拉肖(Sheldon L.Glashow)、温伯格(Steven Weinberg)和萨拉姆(Abdus Salam)提出的电弱SU (2)×U (1)规范理论,将弱相互作用和电磁作用统一起来[1]。该理论假设弱相互作用是通过重的W和Z玻色子所传递,并预测它们的质量约为100 GeV,这与传递电磁作用的无质量光子产生强烈的对比。在1983年发现质量为81±5 GeV的W玻色子[2],是该电弱理论巨大成功的重要证据之一,将在下节做介绍。此后电弱SU (2)×U (1)规范理论被多数人称作粒子物理的标准模型,并且通过不同的实验反复地被检验。
2023 Vol. 35 (1): 3-7 [摘要] ( 275 ) [HTML 1KB] [PDF 3338KB] ( 133 )
8 对W粒子质量的精确测量为什么这么重要
陈缮真
2022年4月8日,费米实验室在《科学》杂志上发文,他们最新研究结果表明,W粒子的质量严重偏离标准模型的理论预言。这一研究结果可能是继十年前希格斯粒子(也就是媒体常说的"上帝粒子")被发现之后粒子物理学领域最重要的成果。《科学》杂志将这一期的封面设计成图1的这个样子。图1中岩石质感的W字母砸碎了一个圆盘,而这个圆盘代表着粒子物理学的"标准模型"。《科学》杂志在用很直观的图片传递了一个信息,也就是这次的测量结果显示,一种叫做"W粒子"的微观粒子的质量比理论预想的更重,而这一结果有可能会打破粒子物理学的基础——标准模型。
2023 Vol. 35 (1): 8-13 [摘要] ( 246 ) [HTML 1KB] [PDF 11335KB] ( 48 )
14 W玻色子质量精确测量背后的精确计算 Hot!
李钊
标准模型中,W玻色子是负责传递弱相互作用的媒介粒子。像现在核电站发电涉及的核裂变反应,是由重元素的放射性衰变过程启动的,该衰变过程本质上是由W玻色子传递诱导的。此外,1957年由李政道、杨振宁和吴健雄一起合作发现的弱相互作用中的宇称不守恒背后的机制(图1)也是由W玻色子传递的纯粹左手的弱相互作用。
2023 Vol. 35 (1): 14-18 [摘要] ( 256 ) [HTML 1KB] [PDF 11192KB] ( 531 )
物理知识
19 解读2022年诺贝尔物理奖
范桁, 龙桂鲁
2022年度的诺贝尔物理奖授予法国阿斯佩(A.Aspect),美国克劳泽(J.F.Clauser)以及奥地利蔡林格(A.Zeilinger)三人,以表彰他们"用纠缠光子的实验,建立贝尔不等式违背和开创量子信息科学"实验的贡献。正如诺贝尔物理奖委员会主席伊尔巴克(A.Irback)所指出的:"越来越明显,新的量子技术已经出现,我们可以看到,获奖人关于纠缠态的工作非常重要,甚至超越了量子力学诠释这样的基本问题"。2022年度的诺奖物理奖的获奖工作的意义,主要体现在其对量子信息科学的开创性和奠基性的实验的贡献。事实上,量子计算和量子信息处理的基本机制和运行原理,直接依赖于今年诺奖工作所打下的基础。
2023 Vol. 35 (1): 19-21 [摘要] ( 241 ) [HTML 1KB] [PDF 1129KB] ( 60 )
22 2022年度邵逸夫奖之空间天体测量 Hot!
邓劲松
2022年5月24日,单项奖金金额高达120万美元的邵逸夫奖公布,其中天文学奖被欧洲天文学家伦纳特·林德格伦(Lennart Lindegren)和迈克尔·佩里曼(Michael Perryman)平分, "以表彰他们一生对天体测量学的贡献" ,特别是在欧洲空间局"依巴谷号及盖亚号的构想和设计中扮演的角色"。
2023 Vol. 35 (1): 22-28 [摘要] ( 249 ) [HTML 1KB] [PDF 13447KB] ( 46 )
29 神秘莫测的原子核 激动人心的发现
柳卫平
核科学技术的发展惠及科学研究、国家安全和能源环境等一系列重大应用,因此一直以来都受到各科技强国的重视,是全球必争的战略高地,对国家建设起着举足轻重的作用。核技术的广泛应用使我们变成经济强国,核基础的领先将使我们能高瞻远瞩,在核能和核技术领域有更好的创新思路。远离稳定线的原子核性质研究能够解决全球关注的核物理以及核天体物理的基础性科学难题。这些问题取得突破后,我国的核物理基础研究将实现从"跟跑"到"并跑"甚至"领跑"的跨越。
2023 Vol. 35 (1): 29-30 [摘要] ( 260 ) [HTML 1KB] [PDF 1083KB] ( 72 )
31 原子核的构成和性质 Hot!
靳根明
自然界万物都是由原子组成,原子又是由原子核和核外电子组成。而且,原子核几乎承载了原子的所有质量,换句话说,是原子核承载了自然界万物的质量。经过上百年的努力,现在已经知道原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子构成的。最新的研究还发现,除质子和中子以外,某些介子——质量比质子和中子都轻的粒子,也可以参与原子核的组成。最轻的原子核是氢原子核,它只有一个质子,目前发现的最重的原子核是118号元素的一个原子核——295Og它包含了118个质子和177个中子。
2023 Vol. 35 (1): 31-41 [摘要] ( 271 ) [HTML 1KB] [PDF 15109KB] ( 802 )
42 各种色光都是由三原色光合成的吗
杨大卫
《国家中小学智慧教育平台》(https://www.zxx.edu.cn/)播放的〖课程教学〗初中八年级物理(人教版上册)第四章第五节"光的色散"中授课教师在课堂总结时说: "各种不同颜色的光都是由三原色(红、绿、蓝)光按一定比例混合而成的。" (这节课视频总时长为24分52秒,该句出现自23分43秒至23分53秒。)
2023 Vol. 35 (1): 42-45 [摘要] ( 243 ) [HTML 1KB] [PDF 5465KB] ( 49 )
46 地心历险记有可能实现吗
孙维维, 魏勇, 王誉棋
《地心历险记》是一部科幻电影,根据凡尔纳的小说《地心游记》改编,顾名思义,其讲述的是人类探索地心世界的故事。在影片中,主角特雷弗是一名地质学家,他与侄子肖恩、向导汉娜在探险的过程中意外掉入了神秘的地心世界。在地心世界中,不仅随处可见鲜艳的红宝石、翡翠以及钻石,而且还生活着各种各样的地心生物。由于地心的特殊环境,他们得以见到许多地面上没有的奇幻景象。他们在漂浮的磁石上行走、与大型食肉植物搏斗,甚至乘坐恐龙头骨在地心河流中漂流。后来这只头骨"船"卡在火山喷发的通道中,为了逃出生天,他们点燃了岩壁上的镁粉引发爆炸,大量的水从破碎的岩壁中涌入高温的火山熔岩,最终,爆发的高压水蒸气将他们带回了地面。
2023 Vol. 35 (1): 46-49 [摘要] ( 215 ) [HTML 1KB] [PDF 4763KB] ( 24 )
科苑快讯
21 关于脊髓和脑干重要作用的新发现
高凌云
根据最新的研究， 脑干和脊髓在触摸信号被传输到大脑的过程中， 起着至关重要的作用。
2023 Vol. 35 (1): 21-21 [摘要] ( 210 ) [HTML 1KB] [PDF 1045KB] ( 23 )
28 自闭症谱系障碍的突破性治疗初见曙光
高凌云
韩国科学家成功识别出自闭症谱系障碍的细胞特异性分子网络， 这将为治疗自闭症谱系障碍奠定基础。该研究由大邱庆北科学技术学院(Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology， DGIST)新生物学系(Department of New Biology)金敏植(Kim Min-sik音译)教授团队在 《分子精神病学》 (Molecular Psychiatry)期刊上发表。
2023 Vol. 35 (1): 28-28 [摘要] ( 230 ) [HTML 1KB] [PDF 1963KB] ( 13 )
45 在类似天王星中心的极端压力下进行材料合成研究
高凌云
材料在极高压力和高温下的结构和性能在很大程度上仍然是 “未知领域”。德国拜罗伊特大学(University of Bayreuth)巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所(Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics， BGI)的列奥尼特·杜布罗文斯基(Leonid Dubrovinsky)教授及其合作者， 使用他们建造的激光加热两级金刚石压砧来合成太帕(terapascal，1太帕＝1000吉帕＝1012帕斯卡)范围内的材料。利用原位单晶X射线衍射同步对材料进行结构表征。新方法首次实现了太帕范围内的材料合成研究。
2023 Vol. 35 (1): 45-45 [摘要] ( 238 ) [HTML 1KB] [PDF 1638KB] ( 10 )
物理前沿
50 LHAASO启航，目标宇宙线起源——《LHAASO科学白皮书》解读 Hot!
马欣华
1912年,维克托·赫斯携带着自己设计的能够承受高空大气温度和气压变化的验电器,首先在维也纳的一片牧草地上测量了地面辐射强度,然后乘坐气球升到5300米的高空,测量到大气中的辐射强度是地面上的9倍,得出结论:高穿透力的辐射不是来自于地球,而是来自太空。13年后,罗伯特·密立根(做油滴实验的那位)为之起名宇宙射线(cosmicray,亦译作宇宙线),意思是来自宇宙的不知名的射线。这种命名法在当时是普遍的,即将未知辐射谓之某某射线,比如紫外线、X射线、伽马射线、阿尔法射线、贝塔射线,后来即便研究清楚了射线的粒子本质(上述射线分别是能量高于可见光并且能量依次增高的三种光子、氦核、电子),仍然保留了惯常叫法。
2023 Vol. 35 (1): 50-56 [摘要] ( 250 ) [HTML 1KB] [PDF 9744KB] ( 376 )
中学园地
57 宇宙线是否带电
李骢, 高卫
19世纪初,物理学家们发现了空气电离的现象,并开展了一系列实验测量,探究空气电离之谜[1]。物理学家通过测量电离率与海拔的关系,从而确定了这些神秘射线来自于外太空[2],继而有了"宇宙射线"的概念。宇宙射线的发现吸引了众多物理学家的兴趣,人们对于这一神秘射线的发现充满了好奇和怀疑。虽然奥地利物理学家维克多·赫斯的实验结果清晰表明电离率会随着海拔升高而增加,但是依然有很多物理学家对这一发现提出了质疑,其中就包括美国著名实验物理学家罗伯特·安德鲁·密立根。密立根于1909年设计了著名的"油滴实验",首次测量了电子电荷,从而证明了电荷的不连续性。密立根也因其在测量电子电荷以及验证爱因斯坦光电方程方面的工作获得了1923年的诺贝尔物理学奖。密立根对研究宇宙射线产生了浓厚的兴趣,他首先对赫斯的结果产生了怀疑。他在1926年的美国物理年会上宣传"the whole of the penetratingradiation is of local origin"[3]。作为一名杰出的实验物理学家,密立根很快提出了自己的实验方案。他选择在两个不同海拔高度的湖泊对空气电离率进行测量。一方面,湖泊放射性弱,本底背景比较干净;另外一方面还可以测量不同水深的电离率。密立根发现不同海拔高度湖面的电离率不一样,高海拔湖面的电离率比低海拔湖面要高,而且发现两米深湖水的吸收长度大致与2千米空气的相当,因此证明了宇宙射线确实来自于外太空[4]。既然知道了这些神秘射线来自外太空,那么另外一个问题也随之而来,即这些神秘射线究竟是什么呢?
2023 Vol. 35 (1): 57-62 [摘要] ( 260 ) [HTML 1KB] [PDF 15984KB] ( 40 )
63 宇宙线电荷正负问题
侯超, 董绪强
通过前几期的宇宙线发现之旅,我们已经知道了原初宇宙线是来自外太空的高能粒子,它们从宇宙深处以接近光速的速度朝我们飞来,各个方向都有。绝大多数是带电粒子,包含太阳宇宙线(能量<100GeV),银河系宇宙线(100 GeV~100 PeV)和能量大于100 PeV来自银河系以外的极高能宇宙线。原初宇宙线粒子到达海拔高度约30 km的时候开始与地球大气发生相互作用,产生广延大气簇射。因此,我们在地面上探测到的是次级宇宙线粒子,主要有伽马光子、电子、缪子等。我们用什么方法来判断这些原初宇宙线电荷的正负呢?它们的成分又是怎样的呢?这正是本期我们要探索的问题。
2023 Vol. 35 (1): 63-68 [摘要] ( 213 ) [HTML 1KB] [PDF 10373KB] ( 32 )
科学源流
69 核物理学家王普与伽莫夫的交往和《物理世界奇遇记》最早的中文版本
王春燕
作为一位著名的核物理学家,王普曾在核物理学发展的早期作出了贡献,特别是在美国工作期间,他与俄罗斯裔物理学家伽莫夫有一段交往,在此作一简要的介绍。并且,今年正值王普先生诞辰120周年,特此写下这些文字作为对他的纪念。
2023 Vol. 35 (1): 69-72 [摘要] ( 203 ) [HTML 1KB] [PDF 6650KB] ( 25 )
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