強(qiáng)相互作用是四種基本相互作用之一，它描述了夸克和膠子之間的相互作用。夸克是構(gòu)成質(zhì)子和中子等強(qiáng)子的基本粒子，而膠子是傳遞強(qiáng)相互作用的粒子。強(qiáng)耦合常數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)，它表示了強(qiáng)相互作用的強(qiáng)度。它不是一個(gè)固定的常數(shù)，而是一個(gè)依賴于能量或距離的函數(shù)。當(dāng)能量或距離很大時(shí)，強(qiáng)耦合常數(shù)很小，表示強(qiáng)相互作用很弱；當(dāng)能量或距離很小時(shí)，強(qiáng)耦合常數(shù)很大，表示強(qiáng)相互作用很強(qiáng)。這種變化被稱為漸進(jìn)自由。

為什么我們要測(cè)量強(qiáng)耦合常數(shù)呢？因?yàn)樗且粋€(gè)基本的物理量，它反映了我們對(duì)自然界最基本的力的理解。通過(guò)測(cè)量不同能量下的強(qiáng)耦合常數(shù)，我們可以檢驗(yàn)我們對(duì)強(qiáng)相互作用的理論——量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）——是否正確，并且尋找可能存在的新物理現(xiàn)象。例如，如果我們發(fā)現(xiàn)強(qiáng)耦合常數(shù)與QCD預(yù)測(cè)不符，或者隨著能量增加而不減小，那么就可能意味著有一些我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的新粒子或新相互作用。

那么，我們?nèi)绾螠y(cè)量強(qiáng)耦合常數(shù)呢？有很多種方法可以測(cè)量強(qiáng)耦合常數(shù)，但是在這篇文章中，我將介紹一種利用ATLAS實(shí)驗(yàn)中Z玻色子反沖來(lái)測(cè)量強(qiáng)耦合常數(shù)的方法。Z玻色子是一種中性的、無(wú)色的、質(zhì)量較大的粒子，它可以通過(guò)電弱相互作用產(chǎn)生，并且可以衰變成兩個(gè)輕子（如電子或μ子）。ATLAS實(shí)驗(yàn)是一個(gè)位于歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的粒子探測(cè)器，它可以探測(cè)到高能質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生的各種粒子。

當(dāng)兩個(gè)高能質(zhì)子對(duì)撞時(shí)，其中一個(gè)質(zhì)子中的一個(gè)夸克或反夸克可以與另一個(gè)質(zhì)子中的一個(gè)反夸克或夸克相互作用，產(chǎn)生一個(gè)Z玻色子。這個(gè)Z玻色子會(huì)沿著與原來(lái)的夸克或反夸克相反的方向飛出，并且很快衰變成兩個(gè)輕子。這兩個(gè)輕子也會(huì)沿著與Z玻色子相反的方向飛出，并且被ATLAS探測(cè)器捕獲。這樣，我們就可以通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)輕子的能量和角度，重建出Z玻色子的能量和角度。

然而，這并不是故事的全部。在高能質(zhì)子對(duì)撞中，除了產(chǎn)生Z玻色子的那一對(duì)夸克或反夸克之外，還有很多其他的夸克和膠子參與相互作用。這些夸克和膠子會(huì)形成一束由強(qiáng)子組成的射流，稱為噴注。這些噴注會(huì)沿著與原來(lái)的夸克或反夸克相同的方向飛出，并且也被ATLAS探測(cè)器捕獲。這樣，我們就可以通過(guò)測(cè)量這些噴注的能量和角度，重建出原來(lái)的夸克或反夸克的能量和角度。

由于動(dòng)量守恒，我們可以知道，在質(zhì)子對(duì)撞前后，系統(tǒng)在垂直于對(duì)撞平面的方向上（稱為橫向）的總動(dòng)量應(yīng)該是零。也就是說(shuō)，Z玻色子和噴注在橫向上的總動(dòng)量應(yīng)該抵消掉。然而，由于我們不能完全測(cè)量所有的噴注，也不能完全重建所有的Z玻色子，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在橫向上有一些剩余的動(dòng)量，稱為橫向缺失動(dòng)量。這個(gè)橫向缺失動(dòng)量是由于強(qiáng)相互作用導(dǎo)致的噴注和Z玻色子之間的反沖。

那么，橫向缺失動(dòng)量與強(qiáng)耦合常數(shù)有什么關(guān)系呢？事實(shí)上，橫向缺失動(dòng)量的分布是強(qiáng)耦合常數(shù)的一個(gè)敏感的探針。當(dāng)強(qiáng)耦合常數(shù)很大時(shí)，噴注會(huì)更多、更強(qiáng)、更寬，并且與Z玻色子之間的反沖也會(huì)更大。當(dāng)強(qiáng)耦合常數(shù)很小時(shí)，噴注會(huì)更少、更弱、更窄，并且與Z玻色子之間的反沖也會(huì)更小。因此，通過(guò)比較橫向缺失動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測(cè)，我們可以擬合出強(qiáng)耦合常數(shù)在不同能量下的值。

在一篇論文中，研究人員使用了2012年大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行期間ATLAS實(shí)驗(yàn)收集到的√s=8 TeV質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，選取了約2000萬(wàn)個(gè)含有兩個(gè)輕子和至少一個(gè)噴注的事件，重建了Z玻色子和噴注，并且測(cè)量了橫向缺失動(dòng)量，并且得到了強(qiáng)耦合常數(shù)在不同能量下的值。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)果與QCD的預(yù)測(cè)非常吻合，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何明顯的偏差或異常。他們給出了強(qiáng)耦合常數(shù)在Z玻色子質(zhì)量處（約91 GeV）的值為0.1184±0.0012（實(shí)驗(yàn)）±0.0011（理論），這是目前最精確的測(cè)量結(jié)果之一。他們還給出了強(qiáng)耦合常數(shù)在不同能量區(qū)間內(nèi)的值，從10 GeV到1 TeV，覆蓋了一個(gè)很廣的范圍。他們的結(jié)果對(duì)于驗(yàn)證QCD的有效性，以及探索新物理的可能性，都有重要的意義。