物理学家探测地核寻找第五种基本力

电子的自旋可能产生一种力,使粒子能够远距离相互作用。
美国国家航空航天局 (NASA)

一般来说,人们倾向于随意使用“自然力”这个短语,比如“她真是个自然力”。但物理学家更挑剔——他们将这个短语保留给他们称之为“基本力”的四种独立的、普遍的力:引力、电磁力,以及分别将原子核结合在一起并参与放射性衰变的强核力和弱核力。

这并不意味着物理学家排除了其他力存在的可能性。由于他们解释万物的模型尚不完整,很有可能存在其他东西,以一种不同于迄今为止已识别的所有力的方式,将物质分开或推到一起。

阿默斯特学院和德克萨斯大学的一个物理学家团队正在寻找一种潜在的第五种力——一种可能源于电子自旋与其他亚原子粒子自旋相互作用而产生的力。我们每次将两块磁铁吸在一起时,都会感受到电子自旋的短程效应——这是因为铁含有相互排列的电子——但科学家认为,粒子的自旋也可能导致它们进行远距离相互作用。

问题是,即使这种被称为“自旋-自旋力”的远距离力确实存在,它也极其微弱,因此极难探测。阿默斯特团队的首席科学家拉里·亨特计算,远距离自旋-自旋力必须比中子和电子之间的引力至少弱一百万倍。虽然引力是我们生活中最明显的力,但它似乎很强大,但在单个亚原子粒子的尺度上,它几乎完全微不足道(两个电子之间的静电力比它们的引力强一百万亿亿亿倍)。

但亨特团队想出了一个巧妙的解决办法:他们不是试图探测作用在两个粒子之间的极其微弱的力,而是旨在探测地球内部深处铁原子中所有被锁定的自旋电子的净力。

由于铁中的电子倾向于与磁场对齐,亨特意识到,有可能估算地幔——地球地壳和地核之间构成我们星球大部分体积的厚层——中所有铁原子的净自旋。

亨特与德克萨斯大学奥斯汀分校的地球物理学家林正福合作,计算了地球内部不同区域的磁场强度以及整个地幔中电子的净自旋。研究人员意识到,他们可以利用地球的铁原子储备,将亨特实验室内部中子的远距离自旋-自旋力增加一千兆倍以上。

不过,仍然有很多挑战:团队正在研究的水银气体原子所在的测试室必须完全隔离,不受四种已知基本力的任何干扰,而团队用来检测气体变化的工具也需要精确校准。亨特开玩笑说:“这有点像打地鼠。”“你解决了一个问题,另一个问题又出现了。”

亨特认为他和他的团队可以将他们的装置的灵敏度提高至少几个数量级。至于这种提高是否足以让物理学家进行探测——*如果*这种力真的存在的话——还有待观察。

 

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