Een nieuw resultaat van het Q-weak-experiment bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy biedt een precisietest van de zwakke kracht, een van de vier fundamentele krachten in de natuur. Dit resultaat, onlangs gepubliceerd in Natuur , beperkt ook de mogelijkheden voor nieuwe deeltjes en krachten die onze huidige kennis te boven gaan.

"Precisiemetingen zoals deze kunnen fungeren als vensters in een wereld van potentiële nieuwe deeltjes die anders alleen waarneembaar zouden zijn met extreem hoge energieversnellers die momenteel buiten het bereik van onze technische mogelijkheden liggen, " zei Roger Carlini, een Jefferson Lab-wetenschapper en een medewoordvoerder van de Q-weak Collaboration.

Hoewel de zwakke kracht moeilijk direct waar te nemen is, de invloed ervan is voelbaar in onze dagelijkse wereld. Bijvoorbeeld, het zet de ketting van reacties op gang die de zon van energie voorzien en het biedt een mechanisme voor radioactief verval dat de kern van de aarde gedeeltelijk verwarmt en dat artsen ook in staat stelt om ziektes in het lichaam op te sporen zonder chirurgie.

Nutsvoorzieningen, de Q-weak Collaboration heeft een van de geheimen van de zwakke kracht onthuld:de precieze kracht van zijn greep op het proton. Ze deden dit door de zwakke lading van het proton met hoge precisie te meten, die ze hebben afgetast met behulp van de hoogwaardige bundels die beschikbaar zijn in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

De zwakke lading van het proton is analoog aan zijn meer bekende elektrische lading, een maat voor de invloed die het proton ondervindt van de elektromagnetische kracht. Deze twee interacties zijn nauw verwant in het standaardmodel, een zeer succesvolle theorie die de elektromagnetische en zwakke krachten beschrijft als twee verschillende aspecten van een enkele kracht die interageert met subatomaire deeltjes.

Om de zwakke lading van het proton te meten, een intense bundel elektronen werd gericht op een doel dat koude vloeibare waterstof bevatte, en de elektronen die door dit doelwit werden verstrooid, werden gedetecteerd in een nauwkeurige, op maat gemaakte meetapparatuur. De sleutel tot het Q-zwakke experiment is dat de elektronen in de bundel sterk gepolariseerd waren - voorafgaand aan de versnelling voorbereid om meestal in één richting te "draaien", parallel of anti-parallel aan de bundelrichting. Met de richting van polarisatie snel omgekeerd op een gecontroleerde manier, de onderzoekers waren in staat om vast te houden aan de unieke eigenschap van pariteit (vergelijkbaar met spiegelsymmetrie) van de zwakke interactie, om de kleine effecten met hoge precisie te isoleren:een verschillende verstrooiingssnelheid van ongeveer 2 delen op 10 miljoen werd gemeten voor de twee bundelpolarisatietoestanden.

De zwakke lading van het proton bleek QWp=0,0719±0,0045 te zijn, die in uitstekende overeenstemming blijkt te zijn met de voorspellingen van het standaardmodel, die rekening houdt met alle bekende subatomaire deeltjes en de krachten die erop inwerken. Omdat de zwakke lading van het proton zo nauwkeurig wordt voorspeld in dit model, het nieuwe Q-weak resultaat geeft inzicht in voorspellingen van tot nu toe niet waargenomen zware deeltjes, zoals die welke kunnen worden geproduceerd door de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN in Europa of toekomstige hoogenergetische deeltjesversnellers.

"Dit zeer uitdagende experimentele resultaat is nog een andere aanwijzing in de wereldwijde zoektocht naar nieuwe fysica die ons huidige begrip te boven gaat. Er is voldoende bewijs dat het standaardmodel van deeltjesfysica slechts een onvolledige beschrijving geeft van de verschijnselen van de natuur, maar waar de doorbraak zal komen, blijft ongrijpbaar, " zei Timothy J. Hallman, Associate Director voor Kernfysica van het Department of Energy Office of Science. "Experimenten zoals Q-weak dringen steeds dichter bij het vinden van het antwoord."

Bijvoorbeeld, het Q-zwakke resultaat heeft grenzen gesteld aan het mogelijke bestaan ​​van leptoquarks, dat zijn hypothetische deeltjes die de identiteit van twee brede klassen van zeer verschillende fundamentele deeltjes kunnen omkeren - quarks (de bouwstenen van nucleaire materie) veranderen in leptonen (elektronen en hun zwaardere tegenhangers) en vice versa.

"Na meer dan een decennium van zorgvuldig werk, Q-weak informeerde niet alleen het standaardmodel, het toonde aan dat extreme precisie experimenten met gematigde energie mogelijk kan maken om resultaten te bereiken die vergelijkbaar zijn met de grootste versnellers die de wetenschap ter beschikking staan, " zei Anne Kinney, Adjunct-directeur van het directoraat Wiskundige en Exacte Wetenschappen van de National Science Foundation. "Een dergelijke precisie zal belangrijk zijn in de jacht op natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel, waar nieuwe deeltjeseffecten waarschijnlijk verschijnen als extreem kleine afwijkingen."

"Het is aanvullende informatie. Dus, als ze bewijs vinden voor nieuwe fysica in de toekomst bij de LHC, we kunnen helpen identificeren wat het zou kunnen zijn, van de limieten die we al in dit document stellen, " zei Greg Smit, Jefferson Lab-wetenschapper en Q-weak projectmanager.