揭开质子的神秘面纱 中微子实验带来突破性的结果

揭开质子的神秘面纱中微子实验带来突破性的结果因此，科学家必须借助于实验方法来确定它们的结构。中微子实验利用由许多质子和中子结合在一起的原子核组成的目标，这使得从这些测量中推断出有关质子结构的信息变得很困难。通过从MINERvA探测器中作为氢原子核的质子散射中微子，科学家们首次提供了使用非结合质子的中微子对这种结构的测量。研究人员正在建造几个大型中微子实验，包括DUNE和桑福德地下研究设施。这些实验将有助于对中微子的特性进行精确测量。这反过来将回答关于中微子如何影响我们宇宙结构的问题。这些实验需要准确了解中微子如何与实验中的重核相互作用，例如DUNE中的氩。建立这些相互作用的理论需要将中微子与质子或中子的散射效应和核内结合的效应分开。通过测量自由质子的这一特性，MINERvA的结果将有助于建立更完整的中微子相互作用理论。这项新研究中描述的测量的主要挑战是，MINERvA的探测器中的氢在化学上与碳原子一半一半地混合在塑料中。碳原子中有六个质子，所以碳背景反应要大得多。通过开发一种新的技术来测量反应中的出射中子的方向，质子上的反μ子中微子产生反μ子和中子，研究人员可以将这两种反应类型分开。这样就可以利用中微子束中相同的平行反应来研究残余背景，在氢原子上不可能发生反应。这种结构的测量被解释为质子的轴向矢量形式因子，这是中微子散射所揭示的结构的一个技术术语，这样它就可以被用作预测中微子反应的输入。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355909.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355909.htm

揭开宇宙的神秘面纱：研究人员使用高功率激光器研究磁重联

揭开宇宙的神秘面纱：研究人员使用高功率激光器研究磁重联美国宇航局概念图像实验室的截图："整个太阳系的磁重联"。当反平行的磁场--在这种情况下，在太阳耀斑中发现--发生碰撞、断裂和重新排列时，就会发生磁重联。这个过程产生了一个高能量的爆炸，将粒子抛向太空。资料来源：美国宇航局概念图像实验室粒子和能量在太空中的一个驱动力是一种叫做磁重联的现象。顾名思义，磁重联是指两个反平行的磁场--如两个方向相反的磁场--发生碰撞、断裂，并重新排列。虽然听起来很无害，但它远不是一个平静的过程。"这种现象在宇宙中随处可见，你可以在太阳耀斑或地球的磁层中看到它们。九州大学工程科学学院的助理教授、该研究的第一作者TaichiMorita解释说："当太阳耀斑积累起来，似乎'捏'出一个耀斑时，这就是磁重联。事实上，极光的形成是地球磁场中的磁重联所排出的带电粒子的结果"。尽管它经常发生，但该现象背后的许多机制还是一个谜。目前科学家们正在对其进行研究，例如在美国宇航局的磁层多尺度任务中，通过送入地球磁层的卫星实时研究磁重联。然而，诸如重新连接的速度或来自磁场的能量如何转换和分配给等离子体中的粒子等问题仍然没有得到解释。将卫星送入太空的一个替代方法是使用激光，并人为地产生产生磁重联的等离子弧。然而，如果没有合适的激光强度，产生的等离子体太小而且不稳定，就无法准确地研究这些现象。"拥有所需功率的一个设施是大阪大学的激光工程研究所和他们的GekkoXII激光器。这是一个巨大的12束高功率激光器，可以产生足够稳定的等离子体供我们研究，"Morita解释说。"使用高能激光器研究天体物理现象被称为'激光天体物理学实验'，它是近年来的一种发展方法。"在《物理评论E》上报道的他们的实验中，高功率激光器被用来产生两个具有反平行磁场的等离子体场。然后，研究小组将低能量激光聚焦到等离子体的中心，在那里磁场将相遇，理论上将发生磁重联。"我们基本上是在重现太阳耀斑的动态和条件。尽管如此，通过分析来自低能量激光的光线如何散射，我们可以测量各种参数，包括等离子体温度、速度、离子价、电流和等离子体流速，"Morita继续说道。他们的关键发现之一是记录了磁场交汇处电流的出现和消失，表明磁重联。此外，他们还能够收集关于等离子体加速和加热的数据。该团队计划继续他们的分析，并希望这些类型的"激光天体物理学实验"将更容易被用作研究天体物理现象的替代或补充方式。"这种方法可以用来研究各种东西，如天体物理学冲击波、宇宙射线加速和磁湍流。Morita总结说："这些现象中有许多会损坏和破坏电气设备和人体。"因此，如果我们想成为一个航天种族，我们必须努力了解这些常见的宇宙事件。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339541.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339541.htm

科学家用二维凝聚态物理学揭开中子星的秘密

科学家用二维凝聚态物理学揭开中子星的秘密在致密核物质中，夸克“排列”成一维的，对单维度加时间的计算可以追踪低能量激发如何穿过核物质图片来源：布鲁克海文国家实验室核物质（包括构成原子核的质子和中子的夸克和胶子）的行为极其复杂，在我们这个三维世界中尤其如此。来自凝聚态物理学的数学技术仅考虑一个空间维度（加上时间）的相互作用，极大地简化了这一挑战。利用这种二维方法，科学家们解决了描述低能激发如何在致密核物质系统中产生涟漪的复杂方程。这项工作表明，自然界中存在如此致密核物质的中子星中心可能会以一种意想不到的形式来描述。能够理解二维夸克相互作用为理解中子星（宇宙中最稠密的物质形式）打开了一扇新的窗口。这种方法可以帮助推进当前研究这些奇异恒星的“黄金时代”。研究成功的激增是由宇宙中引力波和电磁发射的最新发现引发的。这项工作表明，对于低能量激发，三维夸克相互作用的所有复杂性都会消失。这些低能激发是中子星发射辐射或其自身旋转磁场引发的轻微扰动。这种方法还可以与重离子碰撞中产生的密度较低但温度更高的核物质中的夸克相互作用进行新的比较。现代原子核理论，称为量子色动力学涉及受强核力束缚的夸克，这种由胶子携带的力将夸克限制在核子（质子和中子）中。当核物质的密度增加时，就像中子星内部一样，致密系统的行为更像是夸克团，各个核子之间没有清晰的边界。在这种状态下，系统边缘的夸克仍然受到强力的限制，因为球形系统一侧的夸克与另一侧的夸克相互作用强烈。布鲁克海文国家实验室研究人员的这项工作利用这种强相互作用的一维性质以及时间维度来解决系统边缘附近低能量激发的行为。这些低能量模式就像自由、无质量的玻色子的模式一样——在凝聚态物质中被称为“路廷格液体”。这种方法允许科学家计算任意给定密度下的路廷格液体的参数。它将提高他们探索预计在中子星内极端密度下发生的定性新现象的能力，其中核物质的行为与普通核中的完全不同，并将其与中子星中产生的更热（万亿度）的致密核物质进行比较。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368165.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368165.htm

核“爆米花”：新的研究揭示了神秘的强核力的真相

核“爆米花”：新的研究揭示了神秘的强核力的真相强核力是自然界的四种基本力之一，负责将原子核中的质子和中子固定在一起。它是一种非常短程的力，比其他基本力（如电磁力）强得多。他们的工作建立在原子结构的基础理论之上，这些理论源于阿贡物理学家和诺贝尔奖获得者玛丽亚-戈珀特-迈尔在20世纪60年代早期的研究。她帮助开发了一个核子结构的数学模型。她的模型解释了为什么原子核中一定数量的质子和中子会导致它极其稳定--这一现象在一段时间内让科学家感到困惑。镍-64原子核能量状态，当被激发到更高的能量状态时，镍-64核可以将其形状从球形变为扁形或凸形，如该图所示。资料来源：密歇根州立大学/ErinO'Donnell研究小组之前进行了类似的实验来研究强核力，研究当核子通过核反应产生激发态时，核子的结构会如何变化。这些以及在其他地方进行的其他实验促使他们研究镍-64，它有64个中子和质子。这种核是最重的稳定镍核，有28个质子和36个中子。这种镍同位素的特性使其结构在被激发到更高能量状态时发生变化。在他们的实验中，该团队使用阿贡串联林纳加速器系统（DOE科学办公室的一个用户设施）将镍-64核样品加速到铅靶上。铅原子能够通过铅的质子和镍的质子之间的排斥力产生的电磁力激发镍-64核。这个过程看起来类似于将一袋爆米花放入微波炉。随着爆米花粒的升温，它们开始爆成各种不同的形状和大小。从微波炉里出来的爆米花与进去的不一样，关键是，由于施加在它们身上的能量，这些内核改变了它们的形状。在镍-64核被激发后，一个名为GRETINA的仪器检测到了核衰变回其基态时释放的伽马射线。另一个名为CHICO2的探测器确定了参与相互作用的粒子的方向。探测器获得的数据使研究小组能够确定镍-64被激发时的形状。从对数据的分析中，研究人员得出结论，通过与铅的相互作用激发的镍-64核也改变了它们的形状，但是，镍的球形原子核并不会像爆米花那样变得蓬松，而是根据施加在它身上的能量大小，变成了两种形状之一：扁形、门把手或者凸形乃至像足球的，这一发现对于像镍-64这样由许多质子和中子组成的重核来说是不寻常的。"一个模型是现实的写照，只有当它能够解释之前的已知情况，并且具有一定的预测能力时，它才是一个有效的模型，"UNC-ChapelHill的教授和该论文的共同作者RobertJanssens说。"我们正在研究核子的性质和行为，以不断改进我们目前的强核力模型。"最终，研究人员希望他们在镍-64和周围核子中的发现能够为核科学领域未来的实际发现奠定基础，如核能、天体物理学和医学。"今天医院里50%以上的医疗程序涉及核同位素，"Janssens说。"而这些同位素大多是在做像我们这样的基础研究时发现的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341765.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341765.htm

质子新发现要改写教科书了 物理系师生无奈又得重新学一遍

质子新发现要改写教科书了物理系师生无奈又得重新学一遍用机器学习搞出的新发现，要改写物理教科书了？长久以来，质子内都被认为有3个夸克，具体来说是2个上夸克和1个下夸克。但根据Nature最新一篇论文，以后恐怕要改了：5个。再加上一对粲夸克 （CharmQuark）和反粲夸克。按照现有理论，已知的夸克共有6种，上、下、顶、底、奇和粲，每一种又有对应的反夸克。但除了上夸克和下夸克外，后面四种因质量太大所以不稳定，一般认为很快就会衰变。但是这一次，欧洲核子研究组织（CERN）的科学家却表示：发现了质子内部长期存在一对粲夸克-反粲夸克的有力证据。而且这个证据，还是用机器学习方法找到的。40年难题终于找到靠谱证据先简单介绍一下粲夸克，它是第4种被发现的夸克，排在上、下和奇之后，符号为c。它的质量1.27GeV/c2在6种夸克里排第三，带2/3单位的正电荷，自旋与其他夸克一样都是1/2。从80年代开始，就有人猜测质子内部可能存在一对正反粲夸克对，但40年来一直找不到靠谱的证据。直到这一次，NNPDF合作组织 （TheNNPDFCollaboration）使用了与以前都不同的方法。他们没有事先对质子结构做特定假设，而是使用了机器学习——把由所有6种夸克排列组合出来的假想质子结构全都考虑进去，再与这数十年来各大对撞机超过50万次真实粒子对撞实验数据做比较。终于发现“质子约0.5%的动量来自正反粲夸克对”的证据，精度达到3个标准差。也就是说如果质子中不包含一对正反粲夸克，那么只有0.3%的可能性得到这个结果。从此以后，再画物质结构示意图，大概就要改成这样了。说起粲夸克研究，在粒子物理学史上还挺一波三折的。1974年，丁肇中领导的布鲁克海文实验与斯坦福线性加速中心两组人马，各自独立发现了包含一对粲夸克和反粲夸克的J/ψ介子。这次发现对粒子物理产生重大影响，史称物理学中的“十一月革命”。两年后，丁肇中与斯坦福的BurtonRichter共享了诺贝尔物理学奖。从这之后，对粲夸克的研究开始多了起来。到了1980年，欧洲核子研究中心CERN的一项试验暗示质子内部也可能存在一对粲夸克和反粲夸克，称为内在粲夸克 （IntrinsticCharm）。但这项试验结果吧，不够精确，不足以说明问题。后来许多不同团队跟进研究，提出不同的质子模型再用实验数据验证，又产生了相互矛盾的结果。40年来，学术界对研究粲夸克的兴趣是忽高忽低，谁也没能拿出有力证据。直到这一次，在机器学习新方法帮助下终于取得突破，找到内在粲夸克存在的证据。有不少物理学家认为，这个结果对之后再做粒子对撞实验都会产生不小的影响……影响后续的对撞实验在进行对撞实验时，经常会与质子打交道，而这个对于质子内部结构的研究，很有可能会影响到后续的相关实验。或许以后在做对撞实验都要修正质子模型时，都要把粲夸克对考虑进去了。剑桥大学的HarryCliffe说道：大型强子对撞机很依赖质子子结构的精确性，因此后续的相关实验可能就得考虑粲夸克对的影响。就比如...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306551.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306551.htm

用11吨重的“时光机”揭开暗能量和宇宙膨胀的神秘面纱

用11吨重的“时光机”揭开暗能量和宇宙膨胀的神秘面纱DESI绘制了迄今为止最大的宇宙三维地图。地球位于这张完整地图的薄片中心。在放大的部分，很容易看到我们宇宙中物质的底层结构。图片来源：ClaireLamman/DESI合作；cmastro定制的彩色地图软件包我们现在拥有了有史以来最大的宇宙三维地图，这要归功于安装在亚利桑那州一架望远镜顶端的一台功能强大的仪器，它拥有一个由5000只光纤"眼睛"组成的机器人阵列，可以观察夜空。在过去的五年里，暗能量光谱仪--在科学界被称为DESI--测量了3000多万个星系和300万颗类星体的光谱，以确定宇宙在110亿年里的膨胀速度。DESI的宣布是一项正在进行的国际合作的成果，该合作由来自70多个机构的900多名研究人员组成，其中包括在该项目中发挥领导作用的加州大学圣克鲁兹分校的天文学家。然而，尽管这个消息很重大，但他们说这仅仅是个开始。暗能量光谱仪（DESI）安装在基特峰国家天文台的美国国家科学基金会尼古拉斯-U-梅耶尔4米望远镜上。资料来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Marenfeld开拓性发现和未来愿景加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学系副教授阿列克西-莱奥豪德（AlexieLeauthaud）说："如果第一年数据集中暗示的趋势在第三年的分析中得到证实，这将是一个重大发现。作为DESI合作的一部分，这将是一个非常激动人心的时刻。"从七月份开始，Leauthaud将担任这项工作的发言人--其中包括牵头组织者的职责--因此她完全有能力提供最新信息。加州大学圣克鲁斯分校的其他合作教授包括天文学与天体物理学教授康妮-罗科西（ConnieRockosi）和J.泽维尔-普罗查斯卡（J.XavierProchaska）。洛科西领导了基特峰国家天文台4米梅耶尔望远镜的仪器调试工作，她现在的角色是仪器科学家，帮助仪器保持最佳运行状态。此外，加州大学圣克鲁兹分校的本科生、研究生和博士后组成的"杰出团队"也功不可没，他们一直积极参与该项目，定期前往亚利桑那州的望远镜帮助观测。揭开暗能量的神秘面纱正如DESI所在的劳伦斯伯克利国家实验室在一份公告中解释的那样："了解我们的宇宙是如何进化的，这与它的终结方式息息相关，也与物理学中最大的谜团之一有关：暗能量，一种导致我们的宇宙膨胀得越来越快的未知成分"。这是科学家们第一次以优于1%的精度测量年轻宇宙的膨胀历史--让我们对宇宙是如何演化的有了最好的认识。研究人员在多篇论文中分享了他们对第一年所收集数据的分析，这些论文将于今天发布在arXiv上，研究人员还在美国物理学会会议和意大利莫里昂德会议上发表了演讲。在这段360度视频中，您可以利用DESI的坐标数据，在数百万个星系中进行互动式飞行。资料来源：菲斯克天文馆、中大博尔德分校和DESI合作项目斯文-海登里奇（SvenHeydenreich）是加州大学圣克鲁兹分校的一名博士后研究学者，他在DESI身兼数职：担任早期职业科学家委员会委员，利用仪器进行星系间测量，并共同领导一个工作组，预测DESI任务可能延续的不同方案。"我们的目标是测量DESI星系如何弯曲和扭曲来自其背后更遥远星系的光线，这种效应被称为引力透镜效应，"海登里希说，他于2023年底在基特峰现场工作了一周。"这些测量结果对于分析星系如何受到其周围暗物质分布的影响至关重要。此外，这些结果还将有助于提高我们对描述我们当前宇宙组成和演化模型的参数的理解"。11吨重的"时光机"DESI的组件设计用于自动对准预先选定的一组星系，收集它们的光线，然后将这些光线分割成狭窄的色带，以精确绘制它们与地球的距离图，并测量这些光线到达地球时宇宙膨胀了多少。在理想条件下，DESI每20分钟就可以循环观测一组新的5000个星系。在过去的五年里，DESI反复测绘了天空三分之一区域内数以百万计的星系和类星体的距离，让我们对暗能量和宇宙的历史有了更多的了解。我们目前的理解是，引力减缓了早期宇宙的膨胀速度，但暗能量却加速了宇宙的膨胀。DESI对全部110亿年膨胀历史的总体精度为0.5%，最遥远的纪元--涵盖过去的80-110亿年--精度达到创纪录的0.82%。对我们年轻的宇宙进行这样的测量是非常困难的。然而，在一年之内，DESI测量早期宇宙膨胀历史的能力已经是其前身（斯隆数字巡天的BOSS/eBOSS）的两倍。通过观察DESI的地图，我们不难发现宇宙的基本结构：星系簇拥在一起，被天体较少的空洞隔开。在DESI的视野之外，我们的早期宇宙则完全不同：那是一锅由亚原子粒子组成的炙热而浓稠的汤，它们的运动速度太快，以至于无法形成像我们今天所知的原子那样的稳定物质。这些粒子中包括氢核和氦核，统称为重子。这种早期电离等离子体中的微小波动引起了压力波，使重子移动成波纹状，就像你把一把碎石扔进池塘里所看到的一样。随着宇宙的膨胀和冷却，中性原子形成了，压力波停止了，将涟漪凝固在三维空间中，并使未来的星系越来越多地聚集在高密度区域。数十亿年后，我们仍然可以在星系分离的特征中看到这种微弱的三维涟漪或气泡图案--这种特征被称为重子声振荡（BAOs）。这段动画展示了重子声波振荡如何充当测量宇宙膨胀的宇宙尺。资料来源：克莱尔-拉曼/DESI合作和珍妮-努斯/伯克利实验室研究人员利用BAO测量结果作为宇宙标尺。通过测量这些气泡的表观大小，他们可以确定天空中这种极其微弱图案的物质的距离。通过对BAO气泡远近的测绘，研究人员可以将数据切成小块，测量宇宙在过去每个时间段的膨胀速度，并模拟暗能量对膨胀的影响。俄亥俄大学教授、DESIBAO分析联合负责人徐熙钟（音译）说："我们测量了这一巨大宇宙时间范围内的膨胀历史，其精确度超过了之前所有BAO勘测的总和。我们很高兴了解这些新的测量结果将如何改善和改变我们对宇宙的认识。人类对我们的宇宙有着永恒的迷恋，既想知道它是由什么构成的，又想知道它将会发生什么"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427264.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427264.htm