高精度的测量：夸克和反夸克组成的π介子，衰变为两个光子！

一个国际研究团队已经改进了普里马科夫类型的实验，以提高π介子测量的准确性，其发表在《科学》期刊上，概述了研究目标，进行的实验，目的是在测量一个π介子衰变为两个光子时达到更高的精度。美因茨大学Harvey Meyer也在《科学》期刊上提供了量子色动力学理论历史的时间表，并概述了研究人员在这一新努力中所做的研究工作。

理论认为π介子，通常被称为介子，是由一个夸克和一个反夸克组成的强子（这就是为什么它们有时也被称为中性介子)）。理论还表明，衰变成对光子，而且衰变速度非常快，因为它们是不稳定的（大约80阿秒）。与大多数理论一样，科学家们愿意进行实验，证明这些理论是正确的，至少在一定程度上是正确的。以前测试介子衰变为光子的努力，通常遵循三种方法中的一种，直接方法或对撞机方法或Primakoff方法。

在这项新研究中，研究人员使用了Primakoff方法，但增加了改进以提高其准确性。该团队的工作涉及一个名为PrimeX-II的实验装置，它具有一个带标签的光子束设施，带有一个独特的热量计(对Primakoff方法中使用的传统热量计进行了改进)，一个束晕阻断器和一把竖琴。标记的光子被引入磁铁，使带电粒子偏转。从那里，衰变的光子通过真空室和氦气袋，在那里它们被否决权计数器和HyCal量热计探测和计数。

该研究小组还增加了标记光子的可接受能量间隔，而不是通常在Primakoff方法中使用的能量间隔，以进一步提高准确性。在运行实验的过程中，研究人员实现了2.8%的总不确定度，是之前研究努力的一半。它与最初由量子色动力学理论所作的预测也是一致，但与其他理论相比就不那么一致了。π介子，也被称为介子，由一个夸克和一个反夸克组成，极不稳定。

量子色动力学(QCD)，夸克和胶子理论，使用手征对称性破缺的机制（所谓的手征反常）预测了这种衰变和相关的寿命。然后，将寿命测量到高精度，为旨在改进这一原始预测的理论提供了一个基准，测量这个寿命的不确定度，是之前最精确结果的一半。实测值与原量子色动力学预测值基本一致，与其他理论方法的一致性较差。量子涨落对轴对称性的明显破坏，导致了所谓的轴反常。这一现象是中性π介子π0衰变为双光子(γγ)的唯一原因，导致其寿命异常短。

研究精确测量了衰变宽度Γ的π0→γγ过程，在碳-12和硅-28两个靶上测量了前角π0产生的微分截面，得到Γ(π0→γγ=7.798±0.056(STAT.)±0.109(SYST.)。EV哪里有数据，表示统计的不确定性和系统性。研究将此实验结果与之前的实验结果相结合，得出加权平均值Γ(π(0→γγ)=7.802±0.052(统计)±0.105(系统)。最终结果的总不确定度为1.50%，证实了基于量子色动力学手征反常的预测。

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研究发表期刊《科学》

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