打破夸克的对称性并发表在《自然》杂志上
从蝴蝶匹配的翅膀到雪花重复的六点图案，对称性在自然界中回响，甚至在最小的物质构成块中也是如此。自从夸克（质子和中子的基石）被发现以来，物理学家们一直在利用这些对称性来研究夸克的内在特性，并揭示这些特性可以揭示支配它们的物理定律。
最近在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施（杰斐逊佳博体育）进行的一项实验研究了电子-夸克散射中罕见的对称性破缺现象，该实验提供了对夸克固有特性的新测定，比以前的测量精确了五倍。违反宇称的深度非弹性散射（PVDIS）实验结果发表在2月6日的《自然》杂志上。
杰斐逊佳博体育和弗吉尼亚大学是该实验的牵头机构，其中包括四位威廉与玛丽物理学家的合作者。发表在《自然》杂志上的这篇文章的共同作者包括物理学教授兼系主任大卫·阿姆斯特朗（David Armstrong）和物理学助理教授沃特·德康尼克（Wouter Deconinck），以及博士后研究员李正汉（Jeong Han Lee）和赵博（Bo Zhao）。
阿姆斯特朗说，他是支持在《自然》杂志上发表实验结果的人之一。《自然》杂志的读者群比《物理评论快报》（Physical Review Letters）更广泛，后者虽然享有盛誉，但外行读者群很少。
阿姆斯特朗说：“大多数人会说，两种主要的科学期刊是《科学》和《自然》。“人们的看法是，它们都倾向于由健康科学和其他领域主导。过去十年里，在《自然》或《科学》杂志上发表的核物理学论文的数量屈指可数。”
该实验探讨了夸克的镜像对称性。在镜像对称中，即使物体被翻转，就像在镜子中反射一样，物体的特征也保持不变。
在杰斐逊佳博体育的实验大厅A，实验人员通过深度非弹性散射过程测量了夸克镜像对称性的破坏。一束6.067 GeV的电子束被送入氘核，氘核是氢的一种同位素，每个原子核包含一个中子和一个质子（因此有相同数量的上下夸克）。
“当它是深度非弹性散射时，电子携带的动量进入核子内部并将其分解，”弗吉尼亚大学物理学副教授郑晓超说，他是进行该实验的合作发言人。
阿姆斯特朗说，PVDIS实验与同样在JLab进行的Qweak实验既有相似之处，也有不同之处。威廉和玛丽的科学家们更积极地参与其中。
阿姆斯特朗说：“这两个实验的最终目标都是试图测量一个在标准模型中被很好地预测到的量。”在Qweak的情况下，目标是测量质子的弱电荷。这两个实验都旨在验证标准模型的各个方面，即组成我们所知的宇宙的粒子和相互作用的清单。但阿姆斯特朗说，实验物理学家想做的不仅仅是填补标准模型中仍然存在的观测空白；他们还希望找到超出当前理论限制的领域。
“发现超越标准模型的物理是所有亚原子物理学的圣杯，”阿姆斯特朗说。他说，在QWeak和PVDIS研究等实验中，足够精确的测量可以成为指示超越标准模型物理学的可能路线的路标，或者有效地说明“这条路在其他理论交叉点结束”的路标。
Qweak和PVDIS实验都使用电子散射技术获得亚原子粒子，以揭示它们的秘密。阿姆斯特朗指出，这两项研究之间也存在差异。
“在Qweak中，我们寻找的是质子作为一个整体的特性——质子的弱电荷。我们给质子挠痒。我们让电子轻轻地从质子中散射出去，”阿姆斯特朗解释说。“在PVDIS中，我们将电子猛烈地撞击质子和中子。现在，我们不仅仅是把质子作为一个整体来观察，我们还在观察它们内部的夸克。”
阿姆斯特朗说，为了研究夸克，PVDIS实验人员使用氢的一种重同位素氘作为目标。目标选择与Qweak的另一个不同之处在于，Qweak使用的是普通的氢。最轻的元素氢原子只包含一个质子，而质子本身是由两个上夸克和一个下夸克组成的。奇数夸克对PVDIS不起作用。
“氘当然有相同数量的质子和中子，”他解释说，“这意味着它包含相同数量的上夸克和下夸克。”
实验人员发现，当电子在一个方向与另一个方向旋转时，与目标相互作用的电子数量存在不对称或差异。这种不对称是由于电子和目标中夸克之间的弱作用力造成的。夸克所经历的弱力有两个组成部分。一种类似于电荷，在以前的实验中测量得很好。另一个组成部分，与夸克的自旋有关，在杰斐逊佳博体育的实验中第一次被清楚地分离出来。
最后一次进入这种耦合组合的实验是在美国能源部斯坦福直线加速器中心（现在的SLAC国家加速器佳博体育）的E122。30多年前，该实验的数据被用来建立新的理论化的标准模型。
PVDIS结果与标准模型之间的良好一致性也表明，实验人员必须达到更高的能量极限，才能潜在地找到超越标准模型的新的相互作用，即由于夸克自旋而违反镜像对称。新的极限，5.8 TeV和4.6 TeV，在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的范围内，但是这个实验提供的自旋特征不能在对撞机实验中清晰地识别出来。
研究人员计划在杰斐逊佳博体育的下一个研究时代扩展这个实验。为了进一步完善夸克镜像对称性破断的知识，实验人员将使用杰斐逊佳博体育升级的加速器将电子束的能量提高近一倍，减少实验误差，并将测量精度提高到当前值的5到10倍。实验将在2017年完成升级后进行。
该实验由美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会物理部和杰夫里斯纪念信托基金资助，并由其所在机构向个人研究人员提供支持。来自30多个机构的近100名研究人员合作进行了这项实验，其中包括美国能源部的两个国家佳博体育、杰斐逊佳博体育和阿贡国家佳博体育。
杰斐逊科学协会有限责任公司是东南大学研究协会和PAE应用技术公司的合资企业，为美国能源部科学办公室管理和运营托马斯·杰斐逊国家加速器设施或杰斐逊佳博体育。