Præcisionsmåling af protonernes svage ladning indsnævrer søgen efter ny fysik

Et nyt resultat fra det Q-svage eksperiment ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility giver en præcisionstest af den svage kraft, en af ​​fire grundlæggende kræfter i naturen. Dette resultat, udgivet for nylig i Natur , begrænser også mulighederne for nye partikler og kræfter ud over vores nuværende viden.

"Præcisionsmålinger som denne kan fungere som vinduer ind i en verden af ​​potentielle nye partikler, der ellers kun kan observeres ved hjælp af ekstremt højenergiacceleratorer, der i øjeblikket er uden for rækkevidde af vores tekniske kapaciteter, sagde Roger Carlini, en Jefferson Lab-videnskabsmand og en medordfører for det Q-svage samarbejde.

Selvom den svage kraft er vanskelig at observere direkte, dens indflydelse kan mærkes i vores hverdag. For eksempel, den starter reaktionskæden, der driver solen, og den tilvejebringer en mekanisme til radioaktive henfald, der delvis opvarmer Jordens kerne, og som også gør det muligt for læger at opdage sygdom inde i kroppen uden kirurgi.

Nu, det Q-svage samarbejde har afsløret en af ​​de svage styrkers hemmeligheder:den præcise styrke ved dets greb om protonen. De gjorde dette ved at måle protonens svage ladning til høj præcision, som de sonderede ved hjælp af bjælkerne i høj kvalitet, der er tilgængelige på Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Protonens svage ladning er analog med den mere velkendte elektriske ladning, et mål for den indflydelse protonen oplever fra den elektromagnetiske kraft. Disse to interaktioner er nært beslægtede i standardmodellen, en meget vellykket teori, der beskriver de elektromagnetiske og svage kræfter som to forskellige aspekter af en enkelt kraft, der interagerer med subatomære partikler.

For at måle protonens svage ladning, en intens elektronstråle blev rettet mod et mål indeholdende koldt flydende hydrogen, og elektronerne spredt fra dette mål blev detekteret i en præcis, specialbygget måleudstyr. Nøglen til det Q -svage eksperiment er, at elektronerne i strålen var stærkt polariserede - forberedt før acceleration for det meste at "spinde" i en retning, parallelt eller antiparallelt med strålen. Med polariseringsretningen hurtigt vendt på en kontrolleret måde, eksperimenterne var i stand til at låse fast på den svage interaktions unikke egenskab ved paritet (ligner spejlsymmetri) krænkelse, for at isolere dens bittesmå virkninger til høj præcision:en anden spredningshastighed med omkring 2 dele i 10 millioner blev målt for de to strålepolarisationstilstande.

Protonens svage ladning viste sig at være QWp =0,0719 ± 0,0045, som viser sig at være i god overensstemmelse med forudsigelser af standardmodellen, som tager højde for alle kendte subatomære partikler og de kræfter, der virker på dem. Fordi protonens svage ladning er så præcist forudsagt i denne model, det nye Q-svage resultat giver indsigt i forudsigelser af hidtil uobserverede tunge partikler, f.eks. dem, der kan blive produceret af Large Hadron Collider (LHC) på CERN i Europa eller fremtidige partikelacceleratorer med høj energi.

"Dette meget udfordrende eksperimentelle resultat er endnu et fingerpeg i den verdensomspændende søgen efter ny fysik ud over vores nuværende forståelse. Der er masser af beviser for, at standardmodellen for partikelfysik kun giver en ufuldstændig beskrivelse af naturens fænomener, men hvor gennembruddet vil komme, forbliver undvigende, "sagde Timothy J. Hallman, Associeret direktør for atomfysik ved Institut for Energikontor for Videnskab. "Eksperimenter som Q-svag presser stadig tættere på at finde svaret."

For eksempel, det Q-svage resultat har sat grænser for den mulige eksistens af leptoquarks, som er hypotetiske partikler, der kan vende identiteten af ​​to brede klasser af meget forskellige fundamentale partikler - at omdanne kvarker (byggestenene til nukleart stof) til leptoner (elektroner og deres tungere modstykker) og omvendt.

"Efter mere end et årti med omhyggeligt arbejde, Q-svag informerede ikke kun standardmodellen, den viste, at ekstrem præcision kan gøre eksperimenter med moderat energi til at opnå resultater på niveau med de største acceleratorer, der er tilgængelige for videnskaben, "sagde Anne Kinney, Assisterende direktør for matematisk og fysisk videnskabsdirektorat ved National Science Foundation. "Sådan præcision vil være vigtig i jagten på fysik ud over standardmodellen, hvor nye partikeleffekter sandsynligvis ville fremstå som ekstremt små afvigelser. "

"Det er komplementære oplysninger. Så, hvis de finder beviser for ny fysik i fremtiden på LHC, vi kan hjælpe med at identificere, hvad det kan være, fra de grænser, vi allerede sætter i dette papir, "sagde Greg Smith, Jefferson Lab videnskabsmand og Q-svag projektleder.