欧洲核子研究中心的ATLAS实验(图片来源:欧洲核子研究中心)

　　将夸克结合成质子、中子和原子核是一种强大的力量，它的名字中就有这种力量。由胶子粒子携带的强力是自然界所有基本力中最强的，其他的是电磁力、弱力和引力。然而，它是这四种力中最不精确测量的。在刚刚提交给《自然物理》的一篇论文中，ATLAS合作项目描述了他们如何利用弱力的电中性载体Z玻色子，以前所未有的低于1%的不确定性来确定强力的强度。

　　强力的强度由粒子物理标准模型中的一个基本参数描述，称为强耦合常数。虽然随着多年来的测量和理论发展，对强耦合常数的了解有所改善，但其值的不确定性仍然比其他基本力的耦合常数大几个数量级。为了提高涉及强作用力的粒子过程理论计算的精度，需要更精确地测量强耦合常数。它还需要解决关于自然的重要的未解之谜。在非常高的能量下，所有的基本力是否都具有相同的强度，从而表明它们可能有一个共同的起源?新的、未知的相互作用是否会在某些过程或某些能量下改变强作用力?

　　在对强耦合常数的新研究中，ATLAS合作研究了欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)质子-质子碰撞产生的Z玻色子，碰撞能量为8 TeV。当质子碰撞中的两个夸克湮灭时，通常会产生Z玻色子。在这个弱相互作用过程中，强作用力是通过湮灭夸克的胶子辐射来发挥作用的。这种辐射给了Z玻色子一个横向的“踢”到碰撞轴(横向动量)。这种冲击的大小取决于强耦合常数。通过对z -玻色子横向动量分布的精确测量和对这种分布的同样精确的理论计算的比较，可以确定强耦合常数。

　　在新的分析中，ATLAS团队专注于干净选择的z -玻色子衰变为两个轻子(电子或μ子)，并通过其衰变产物测量z -玻色子的横向动量。将这些测量结果与理论预测进行比较，使研究人员能够精确地确定z -玻色子质量尺度上的强耦合常数为0.1183±0.0009。相对不确定度仅为0.8%，这是迄今为止单次实验对强作用力强度的最精确测定。它符合目前世界平均水平的实验决定和最先进的计算被称为晶格量子色动力学(见下图)。

　　由于实验和理论的进步，这一记录精度得以实现。在实验方面，ATLAS物理学家详细了解了源自z -玻色子衰变的两个电子或介子的探测效率和动量校准，从而获得了0.1%至1%的动量精度。在理论方面，ATLAS的研究人员使用了z -玻色子产生过程的尖端计算，在量子色动力学中考虑了多达四个“环”。这些循环表示在贡献过程方面计算的复杂性。增加更多的循环可以提高精度。

　　“强核力的强度是标准模型的一个关键参数，但它的精度只有百分之一。相比之下，电磁力比大型强子对撞机探测到的能量弱15倍，但其精度却超过十亿分之一，”欧洲核子研究中心的物理学家斯特凡诺·卡马尔达(Stefano Camarda)说，他是分析小组的一员。“我们现在以0.8%的精度测量了强耦合强度，这是一项了不起的成就。它展示了大型强子对撞机和ATLAS实验在推动精度前沿和增强我们对自然的理解方面的力量。”

　　将强耦合常数的新ATLAS值与其他测量值进行了比较。(图片:阿特拉斯/欧洲核子研究中心)