将夸克结合在一起形成质子、中子和原子核是一种如此强大的力量，正如它的名字一样。由胶子粒子携带的强力是自然界所有基本力中最强的——其他力是电磁力、弱力和重力。然而，它是这四种力量中最不精确测量的。

在一篇刚刚提交给《自然物理学》、目前可在arXiv预印本服务器上获取的论文中，ATLAS合作团队描述了如何使用Z玻色子(弱力的电中性载体)来确定具有前所未有的不确定性的强力的强度低于1%。

强力的强度由粒子物理标准模型中的一个基本参数(称为强耦合常数)来描述。尽管随着多年来的测量和理论发展，人们对强耦合常数的认识有所提高，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。

需要更精确地测量强耦合常数，以提高涉及强力的粒子过程的理论计算精度。它还需要解决有关自然的重要未解答问题。所有基本力在非常高的能量下是否具有相同的强度，表明潜在的共同起源?新的、未知的相互作用是否会改变某些过程或某些能量下的强力?

在强耦合常数的新研究中，ATLAS合作研究了CERN大型强子对撞机(LHC)质子-质子碰撞中产生的Z玻色子，碰撞能量为8TeV。Z玻色子通常是在碰撞质子中的两个夸克湮灭时产生的。在这个弱相互作用过程中，强力通过湮灭夸克的胶子辐射发挥作用。

这种辐射给Z玻色子一个横向于碰撞轴的“冲击”(横向动量)。该冲击的大小取决于强耦合常数。通过精确测量Z玻色子横向动量的分布，并与该分布的同样精确的理论计算进行比较，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玻色子衰变成两个轻子(电子或μ子)，并通过其衰变产物测量Z玻色子横向动量。通过将这些测量结果与理论预测进行比较，研究人员能够精确确定Z玻色子质量尺度的强耦合常数为0.1183±0.0009。

该结果的相对不确定度仅为0.8%，是迄今为止单次实验对强力强度最精确的测定结果。它与当前世界平均实验测定和最先进的计算(称为晶格量子色动力学)一致(见下图)。

新的ATLAS强耦合常数值与其他测量结果的比较。图片来源：ATLAS/CERN

这一记录精度的实现得益于实验和理论的进步。在实验方面，ATLAS物理学家对源自Z玻色子衰变的两个电子或μ子的探测效率和动量校准有了详细的了解，从而获得了0.1%至1%的动量精度。

在理论方面，ATLAS研究人员使用了Z玻色子生产过程的尖端计算，其中考虑了量子色动力学中多达四个“循环”。这些循环代表了贡献过程的计算复杂性。添加更多循环可以提高精度。

“强核力的强度是标准模型的一个关键参数，但其已知精度仅达到百分比级。相比之下，电磁力比强核力弱15倍。大型强子对撞机的精度优于十亿分之一。”欧洲核子研究中心(CERN)物理学家、分析团队成员斯特凡诺·卡玛达(StefanoCamarda)说道。

“我们现在以0.8%的精度测量了强力耦合强度，这是一项了不起的成就。它展示了LHC和ATLAS实验在推动精度前沿并增强我们对自然的理解方面的力量。”