Den svage kraft – livet kunne ikke eksistere uden den

David Armstrong studerer et fænomen, der er allestedsnærværende i naturen, alligevel ved kun nogle få ikke-videnskabsmænd, hvad det er.

Det kaldes den svage kraft, eller det svage samspil. Armstrong blev for nylig udnævnt til 2018 Fellow i American Physical Society. Hans citat lyder, at hæderen er baseret på "hans lederrolle i et karrierelangt forskningsprogram centreret om at karakterisere og forstå rollen af ​​den svage kraft og paritetskrænkende fænomener i kernefysik."

"Dette er en betydelig faglig ære. Antallet af stipendiater, der vælges hvert år, er begrænset til højst halvdelen af ​​en procent af APS-medlemstallet, " sagde Christopher D. Carone, formand for William &Mary Institut for Fysik.

"På nuværende tidspunkt omkring 30 procent af det almindelige fysikfakultet på William &Mary er APS Fellows. Jeg ser frem til at se denne procentdel vokse betydeligt i de kommende år!" tilføjede Carone.

Armstrong kom til William &Mary i 1994. Nu, som kansler professor i fysik, deler sin tid mellem Small Hall og Jefferson Lab, hvor han samarbejder om en række partikelfysiske eksperimenter, hvoraf de fleste involverer den svage kraft. Når Armstrong taler om sit arbejde til folk, der ikke taler fysik, han starter med at forklare, at den svage kraft er en af ​​de fire fundamentale interaktioner, der holder universet kørende.

"To af dem kender de fleste af os, " sagde Armstrong. "Tyngekraft:det holder planeterne i kredsløb om solen og holder os fastgjort til Jorden. Elektricitet og magnetisme:Vi har lært siden Maxwell, at de er to aspekter af den samme kraft. Vi kender dem, og elektromagnetisme er det, der er ansvarligt for, at elektronerne forbliver i kredsløb omkring kernen. I bund og grund, al kemi opstår fra elektricitet og magnetisme."

Mindre kendt for lægfolk, han sagde, er de to kernekræfter. Den stærke kraft holder protonerne og neutronerne (og deres kvarker) sammen i kernen. Den sidste, og mindst bekendt, af de grundlæggende interaktioner er den svage kraft, ansvarlig for visse former for radioaktivt henfald.

"I modsætning til de andre interaktioner, Jeg kan ikke give dig et eksempel på noget, der holdes sammen af ​​den svage kraft, " sagde Armstrong. "Men den svage kraft er utrolig vigtig, fordi livet ikke ville eksistere uden det."

Han påpegede, at fusionsprocessen i solen, hvorved brintatomer glomer på hinanden og bliver til helium, er et eksempel på den svage kraft i aktion. Et kritisk trin i den reaktionskæde finder sted gennem den svage kraft, så faktisk driver den svage kraft solens atomovn.

"Hvis den svage interaktion var væsentlig stærkere, end den er, så ville solen være brændt ud for år siden, " sagde han. "Hvis den svage interaktion var svagere, så var solen ikke tændt."

"Visse former for radioaktivt henfald, som ofte er nyttige i ting som medicinsk billedbehandling, foregå gennem det svage samspil, " forklarede han.

Hans tidlige forskning involverede en partikel kaldet muon, som han kaldte "elektronen er kortvarig, tungere søster." ("Jeg ved ikke hvorfor, men myonen virker kvindelig for mig, " han sagde.)

Myonen er 200 gange mere massiv end elektronen, men kan alt hvad en elektron gør. For eksempel, Armstrong sagde, at fysikere kan lave et atom, hvori myoner erstatter elektroner. Denne evne til at skifte roller stammer fra en karakteristisk unik til den svage interaktion.

"Det giver partikler mulighed for at transformere - for at ændre deres natur, " sagde Armstrong. "Muonen vil henfalde gennem den svage interaktion til andre partikler. Myonen henfalder typisk til en elektron og et par neutrinoer."

Myonens svage kraftdrevne superkraft af transmogrifikation tillader den at interagere med kernen, såvel, omdannelse af protoner til neutroner, med nogle neutrinoer som forandring.

"Så meget af min forskning var oprindeligt baseret på at forstå de svage interaktioner mellem protoner og neutroner i kerner, " han sagde.

Kort efter at han kom til JLab og William &Mary, 25 år siden, han indså, at der var en mulighed for at bruge sin undersøgelse af myonernes svage kraft og anvende den på den svage kraft fra myonens mere slanke søskende, elektronen.

Armstrong er en del af Qweak Collaboration, en samling af videnskabsmænd, som registrerede den første direkte måling nogensinde af protonens svage ladning ved Department of Energy's JLab-anlæg. I sit seneste værk, Armstrong bruger en anden egenskab, der er unik for den svage kraft i sine eksperimenter.

"Det krænker en symmetri af naturen kaldet paritet, " forklarede han. "Symmetrier er ekstremt vigtige i fysik; de fortæller os, at der foregår noget fundamentalt."

Paritet eksisterer, når et "spejlbillede" af et system (et, hvor alle plusser og minusser er ændret) er identisk med det oprindelige system. Paritet er en egenskab ved tyngdekraften, elektromagnetisme, den stærke kraft - og i lang tid, paritet blev antaget at være en universel egenskab ved universet.

"I 1950'erne, vi fandt ud af, at det ikke var tilfældet, udelukkende på grund af det svage samspil, " sagde Armstrong. Hvis din refleksion i et spejl afslørede, sige, en ekstra finger, det ville være ret mærkeligt, især når du ser ned på din hånd og ikke ser nye cifre. Det er en analog af paritetskrænkelse, men ikke en komplet:I modsætning til en ekstra pinkie i spejlet, paritetskrænkelse i den svage kraft er helt naturligt.

Og, for videnskabsmænd, den svage styrkes ulige-en-ud-paritetsstatus giver Armstrong og andre fysikere et indgangspunkt i jagten på ny fysik, ud over standardmodellen. Denne forfølgelse involverer undersøgelse af den svage kraft og andre områder ud over dagligdags opfattelse, såsom gravitationsbølger, neutrinoer og kvarker.

Ud over Q-Weak-eksperimentet på JLab, Armstrong studerer også kvarkerne, der udgør protoner og neutroner. Der er seks kvarker, elementarpartikler i standardmodellen, der bærer et sæt usædvanlige navne:top, bund, op, ned, mærkelig og charme.

"Jeg kan identificere de forskellige typer kvarker gennem deres svage interaktioner, " sagde han. Op og ned kvarker er de elementære byggesten i stof, når de samles til protoner og neutroner, og Armstrong og hans samarbejdspartnere var i stand til at bruge den svage kraft til at lære om den mærkelige kvarks bidrag til protonens størrelse og magnetiske moment.

Han er involveret i et kommende JLab-eksperiment, der bruger paritetskrænkelse til at undersøge en meget tung kerne:bly.

"Bly har flere neutroner end protoner, " sagde Armstrong. "Derfor, man kunne forvente, at fordelingen af ​​neutroner i en blykerne ville få dem til at 'stikke ud' - hvilket gør en neutronhud på ydersiden af ​​kernen.

"Det viser sig, at den svage interaktion er en fantastisk måde at lede efter det på, " tilføjede han. "Fordi neutronerne interagerer anderledes end protonerne."

Neutronhuden, han sagde, forbliver teoretisk. Men han håber, at hans eksperiment vil være det første til at bekræfte det observationsmæssigt. Det ville være en vigtig observation med kosmologiske implikationer.

"Det fortæller os ikke kun om kerner, men det forbinder også med ting af interesse for astronomer og astrofysikere, " Forklarede Armstrong. "Fordi en neutronstjerne ikke er andet end universets største kerne - og en der er domineret af neutroner."