亞原子粒子會通過自然界中的四種基本力 相互作用。引力使我們牢牢地待在地球表面上，也讓我們手中的咖啡杯不向天空飄散；電磁力作用於帶電粒子之間，並會在暴風天的日子裡引發閃電；強力是如此的強大，以至於通過它相互作用的粒子（即夸克和膠子）會被緊緊地束縛在一起，並且僅能作為複合物（比如質子和中子）存在；弱力則會激發太陽內部的一系列鏈式反應，還能為放射性衰變提供一種機制。
此外，正如大多數人所熟悉的，質量是引力產生相互作用的根源，而電荷和磁矩是電磁力的核心。但描述強力和弱力的強度的物理性質，卻是不太為人熟知的色荷和弱荷。一個粒子的弱荷類似於它的電荷——是質子在電磁力作用下受到影響的度量，但卻又非常不同。在粒子物理學的標準模型中，這兩種相互作用是緊密相連的。（標準模型是一個非常成功的理論，它將弱力和電磁力描述為一個單一的力的兩個不同方面。）
在一項最新的研究中，科學家在美國傑斐遜實驗室進行的Q-weak實驗中，首次以極高的精確度測量了質子的弱荷。此次的研究結果對無法用當前理論描述的物理學設置了嚴格的約束條件。其研究結果發表於2018年5月9日的《自然》雜誌。
相比於強力和電磁力，弱力實在是太微弱了，因此十分難以被測量。幸運的是，大自然提供了一種方便的度量標尺，那就是一種與宇稱對稱（類似於鏡像對稱）有關的原理。
那麼，什麼是宇稱對稱呢？假如有一個過程的出現與其鏡像的出現概率完全相同，那麼我們就說這一過程保持宇稱對稱。事實上，在宏觀世界中，我們能輕易地看到宇稱對稱的破壞，這尤其出現在生物系統中。舉個例子，如果人類的手性也遵循宇稱對稱，那麼世界上的人口應該有一半是右撇子，一半是左撇子。但顯然，這並沒有發生，因為大多數人都是右撇子。
同樣地，粒子也具有手性。一個右手性粒子的自旋方向是由當右手大拇指指向粒子的運動方向時，四根手指的捲曲來定義的。相對應的，對於一個左手性粒子來說，則需要彎曲左手的手指來聯繫粒子的自旋和速度方向。而不同尋常的是，當所有亞原子粒子間通過弱力相互作用時，都會違反宇稱對稱。因此，弱荷就可以通過對比粒子的左右手性的行為來確定。
為了測量質子的弱荷，Q-weak的研究人員在實驗中朝含有低溫液氫的質子靶發射了具有特定手性的電子束，並且設計了一個特別的裝置來測量這些從質子靶上散射的電子。
接著，研究人員測量出了一種不對稱性，這種不對稱性描述的是從質子散射出的電子的左右手性的概率差異。結果顯示，每十億中就有 -226.5±9.3 的不對稱。數字前的“負號”表示的是左手性電子比右手性電子更容易散射。我們可以用山脈高度的類比來理解這種不對稱性的大小：如果山脈的高度違反了宇稱對稱性，那麼珠穆朗瑪峰和它的鏡像對應物在高度上將有2mm的差別，並且對這一差異的測量將精確到±80μm。
這一結果比以往所有通過對來自核子目標散射的電子來研究宇稱不守恆的實驗都具有更高的精度。Q-weak實驗組利用測量到的不對稱性，最終確定了質子的弱荷為 0.0719 ± 0.0045，這與標準模型預測的值非常吻合。（為了方便比較，論文中作者按慣例將質子電荷記為+1。）
或許有人會疑問，為什麼物理學家想要如此精確地測量質子的弱荷呢？簡而言之，為了測試我們認知的界限。物理學家總是試圖知道在怎樣的尺度下，當前理論就會無法解釋觀測到的數據。這種失敗或許就意味著第五種基本力的存在。這是一種假想的未被發現的相互作用，它或許在我們迄今為止還為探索過的極高能量中扮演著重要角色。
根據Q-weak實驗組對測量結果的報告表明，如果真的存在這種相互作用，那麼它們將在超過幾個TeV（1TeV=10¹²電子伏特）的粒子能量下才會顯現出來。作為比較，在我們熟悉的核裂變（核子分裂成兩個或更多部分）反應堆中，平均每個粒子釋放的能量約為10⁶eV。這項實驗中，研究人員的新物理能級下限與CERN的大型強子對撞機實驗的設定相當、並相輔相成。這非常令人驚歎，因為這次實驗中，研究人員用到的電子束的能量比大型強子對撞機中質子束的能量低幾千倍。
物理學家 Anne Kinney 說：“在十多年的謹慎研究之後，Q-weak 不僅提供了更多與標準模型有關的信息，它還顯示了即便是在中等能量級別的實驗中，也能以極高的精準度收穫與大型對撞機同等水平的科學結果。這種精度對於搜尋超越標準模型的物理來說將至關重要，屆時新的粒子效應或許將會出現於極其微小的差異中。”
在一個多世紀以前，科學家已經證明電荷會以一份一份的離散形式出現，這為經典電磁學和現代量子力學之間的架構了一座橋樑。從物理常量到粒子屬性（如質子的弱荷），通過以更高精度對這些物理量進行測量，可能就會發現需要修改標準模型的新相互作用和粒子。如此宏遠的追求需要幾代人共同努力不斷精化研究。或許有一天，已獲得的知識就能帶來突破。
核物理學家 Timothy Hallman 說：“這些極具挑戰的實驗結果為尋找超越現有理解的新物理提供了另一條線索。有大量證據證明，標準模型只能對自然現象提供一份不完備的描述，而我們卻仍不知道突破會出現在什麼地方。像Q-weak這樣的實驗將我們更進一步接近這一問題的答案。”
編譯：小雨
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0096-0
https://www.jlab.org/node/7915
https://www.nature.com/articles/d41586-018-05037-9
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