有第4代夸克吗?

在粒子物理的标准模型中,物质是由称作夸克和轻子的基本粒子组成的。6种已知的夸克——上夸克与下夸克、粲夸克与奇异夸克、顶夸克与底夸克——分为3代。但是,有没有第4代夸克呢?为了回答这一问题,需要进行数百项物理学与核物理学的测量。然而,并非所有的测量是可进行的或是足够精确的,许多参数只是推断出来或外推出来的。现在欧洲粒子物理中心CERN的Peter Plattner与他的合作者展示了如何用一种单独的测量就可改变我们对这一基本问题的认识。

利用悬浮小球的反冲探测核衰变

几个世纪以来,物理学家们一直利用动量守恒作为分析动力学过程的手段。耶鲁大学的David Moore和他的团队将这种方法用于一项新的工作中:他们利用动量守恒来确定一个放射性原子何时发射一个α粒子。研究结果表明,经进一步改进,研究人员有可能使用这种技术探测其他核衰变产物,如中微子和假想中的暗物质粒子。

五种新同位素的发现仅是开始

尽管某些同位素可以存活数小时、数周甚至数千年,但另一些同位素却以极快的速度闪现,以至于科学家无法确认它们的存在。天体物理学家认为,这些稀有的同位素粒子尽管寿命短暂,却在恒星的演化和宇宙重元素的形成中起着重要的作用。最近,密歇根州立大学稀有同位素束设施(FRIB)的研究人员已经制造并鉴别了五种从未见过的稀有同位素,这些同位素都包含大量的中子。

LHC的数据不支持多希格斯模型

自从 2012 年发现希格斯玻色子以来,物理学家们 对这种粒子已了解很多,但仍有一些谜团尚未解决。 一个问题是,所探测到的希格斯粒子是单独的,还是 希格斯粒子家族的一部分。使用位于瑞士的大型强子 对撞机上获得的数据,ATLAS 合作组正在寻找多希格 斯玻色子与W和 Z 玻色子相互作用的可能信号,这些 玻色子携带着弱力。缺少关于这种信号的证据有助于 排除某些多希格斯模型。

不稳定核结构研究的新方法

不稳定放射性同位素的首次电子散射实验标志着奇特原子核形状研究的里程碑。自从Robert Hofstadter及其合作者在20世纪50年代的测量工作以来,人们已经知道,原子核不是点状粒子,而是具有飞米尺度的有限大小——大约比原子半径小10000倍。这项获得诺贝尔奖的研究使用加速器产生的高能电子束轰击靶材料。

对撞机中微子的黎明

中微子是宇宙中最丰富的粒子之一,但是它们极少与物质相互作用。科学家们使用高强度的中微子源和大的探测器,已经观测到来自太阳、宇宙射线在大气中的相互作用、地球内部、超新星和其他天体的中微子,也观测到了来自人造中微子源(如核反应堆和使用固定靶的粒子加速器)的中微子。现在,大型强子对撞机(LHC)上的前向搜索实验(FASER)成功探测到了对撞束中产生的中微子。

Physics Magazine 2022 年度物理学十大亮点

激光聚变辉煌的一年国家点火装置(NIF)实现了期待已久的里程碑。今年早些时候,该团队实现了点火,靶丸处的局部自加热超过了外部加热和损失到环境中的能量。不久前,研究人员宣布,他们已证明激光引起的核聚变反应所产生的能量大于其消耗的能量。尽管实现基于激光的聚变反应堆仍需要几十年的时间,但研究结果表明,激光聚变的发展速度与计算机发展的速度相似。

探测马约拉纳中微子

标准模型预言中微子没有质量,但从中微子振荡实验知道,它们一定是有质量的。特别是,为使中微子在它们的三种“味”之间振荡,它们的平方质量差必须不为零。振荡数据表明,至少有一种中微子态的质量必须约大于50 meV,但是观测结果没有告诉我们这3种态中哪一种最重(数据容许有两种可能的质量顺序,称为“正常的”和“反转的”)。一种约束中微子质量的方法是研究双β衰变(2νββ)的核,其中两个中子转变成两个质子,发射两个电子和两个反中微子。

极不稳定核的五质子衰变

对极不稳定核发射5个质子衰变的观测,可用于对极端情况下核模型的检验。研究人员发现了极不稳定核的一种现象,在这种核中,一半以上的核子是非束缚的,也就是说,这些核子并不是与核的致密核心紧紧相连。原子核氮-9由5个质子围绕着的一个类似氦核的核心组成,这些质子在氮-9核形成后便很快逸出。而此前的实验观察到在一个核中最多有4个非束缚的质子。研究团队必须仔细筛选大量的核碰撞数据来鉴别氮-9衰变。这种几乎不束缚的核对于核结构理论提出了独特的挑战。

分析引力波天空

激光干涉仪空间天线(LISA)计划在2037年发射。与现有的探测器相比,LISA对来自更多引力源的引力波敏感。综合的数据分析方法要比在嘈杂的环境中区分单独的引力源可能更实用。美国国家航空航天局的Tyson Littenberg和蒙大拿州立大学的Neil Cornish如今开发出了这样的一种综合方法。

希格斯粒子物理学时代

2012年7月4日,欧洲核子研究中心主任Rolf Heuer宣布发现了一种新粒子--希格斯粒子。这一发现在物理学界引起了热议。标准模型预测基本粒子通过与希格斯玻色子相关的场获得质量,希格斯粒子的发现再次表明标准模型的正确性。然而,标准模型本身还存在着缺陷,它不能解释如暗物质、引力和中微子质量的问题。而近十年来对希格斯粒子的研究仍不能给出超出现有理论的线索。研究希格斯粒子的物理学家认为重要的是对希格斯粒子了解了多少,以及还有多少需要了解。

防风墙可提高风电场的功率

以高效益低成本生产更多可再生能源的方法,在应对气候变化方面至关重要。新的模拟表明,防风墙,如墙壁或成排的树木,可以将风电场的功率提高10%。但先前的工作表明,防风墙可使单个的涡轮机提高功率,对于大型风电场其效果相反。这项新的工作首次模拟具有防风墙的真实风电场,参加研究的人员希望他们的工作将提高实际风电场的效率。在世界范围,风力涡轮机目前产生740千兆瓦的电力,足以提供纽约市用电量的70倍以上。

量子干涉增强发动机功率

对于由原子组成的微观发动机,有一种全新的增强发动机功率的方法,即量子增强。英国牛津大学的James Klatzow及其同事,用一组钻石中的氮晶格空穴(NV)中心组成热机,首次对量子功率增强进行了测量。经典热机通过完成一系列冲程将热能(热)转换成机械能(功)。量子热机以相似的方式工作。

神经网络探索物理问题

基于神经网络的机器学习模型是许多现代技术进步的基础,并被越来越多地用于解决物理问题。神经网络是一种计算工具,其运行方式模仿人类的大脑。神经网络一般由多层相互连接的人工神经元组成。神经元之间的连接是加权重的,权重数可以是几百万到几十亿,构成网络的可调参数。神经网络的奇妙之处在于它们不需要通过编程来解决任务,而是通过例子进行学习,调节参数,使得输出结果不断改进。为了训练一个神经网络识别一张人脸,将同一人的许多不同的照片输入该网络。

岩石可能保存有暗物质化石

我们脚下的岩石中可能含有过去暗物质相互作用的残留物,这些残留物以纳米粗的径迹的形式存在着。以前对这些所谓的暗物质化石的寻找没有任何结果。但是瑞典和波兰的研究团队认为,最近在材料分析技术方面的进展,会促进新一轮对暗物质化石的寻找。

遥远星系周围暗物质分布的测量

研究星系的特性对于揭示宇宙中未知的质量和能量的主要形式——暗物质和暗能量——的性质,至关重要。暗物质存在于星系周围的“晕”中,通过在广泛的宇宙时间范围内考察星系,可以获得这种不可见物质演化的信息。但是观察遥远的星系——高红移的星系——对天文学家是一个挑战,因为这些天体是非常暗淡的。幸运的是,有另一种方法可以探测这种星系周围的暗物质:通过引力透镜效应,暗物质在宇宙微波背景(CMB)温度波动的图形中留下的印记。日本名古屋大学的Hironao Miyatake及其同事使用这种透镜的测量值,结合红移大约为4的遥远星系分布的信息,绘制了遥远星系周围的暗物质分布。

“传声筒”连接两个离子

简单地将两个空的锡罐用一根长线连接起来,一个人把一个罐子放在耳朵上,就可以听到另一个人对着另一端罐子的轻声说话,一根简单的线可以使声音传播得比在空气中还远。两个新的实验演示了一种类似的方法,用一条细导线连接两个被陷俘在相距一定距离上的离子,使得这两个离子可以在比直接相互作用范围远一千倍的距离上彼此感知。陷俘带电粒子是很困难的,这是因为电磁对称性不容许静态的三维限制势。但是一些精妙的实验已表明,可以使用动态变化势来陷俘带电粒子。

解释微调的第三种方法

希格斯粒子的质量与地球轨道的椭圆度都比它们的理论估计值小几个数量级。这似乎是两个更大的量经过微调而抵消所造成的。粒子物理有两个最有趣的微调难题:希格斯玻色子的质量和宇宙常数。长期以来,人们一直认为粒子物理的微调可能与新的对称性有关,如难以解释的超对称性,或者与统计参数有关——我们微调的宇宙只是许多可能的多重宇宙之一。

粒子物理描述黑洞相撞

两个巨大的黑洞以接近光速的速度相撞,以引力波的形式喷发出超过太阳的能量。科学家利用在具有几公里长臂的激光干涉仪中所产生的微小变形,观测几百万光年以外时空几何中的涟漪。为解释引力波信号需要对所观测到的波形有精确的理论预言,这种预言是通过解爱因斯坦场方程得到的。

探测铅核的中子皮

在示意图中,用一个球中随机放置的彩球描绘核中的质子和中子。实际上,重核中的中子多于质子,中子被向外排斥。在重核的最外层,中子形成一层薄的“皮”。最近,在美国弗吉尼亚的托马斯·杰弗逊国家加速器装置上的铅半径实验(PREX)合作组确定了铅-208中子皮的厚度,铅-208是中子比质子多44个的稳定同位素。这项工作研究的问题与自然界全部4种基本相互作用以及中子星结构有关,并将对多信使天文学及粒子物理产生深远影响。