Natuurkundigen van de Universiteit van Virginia hebben onlangs een sleutelrol gespeeld in nieuwe ontdekkingen in de deeltjesfysica. De wetenschappers zijn betrokken bij grote internationale samenwerkingen met behulp van grote faciliteiten die zijn ontworpen om onze kennis uit te breiden van de meest intieme details over hoe de kleinste bekende stukjes atomen het universum hebben voortgebracht.

De onderzoeksprojecten worden bij UVA geleid door natuurkundige Craig Dukes, werken met het Fermi National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in Illinois; Chris Neu, die in Europa met de Large Hadron Collider werkt; en Kent Paschke, die werkt met de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het DOE, of Jefferson Lab, in Nieuwpoortnieuws.

hertogen, Neu en hun teams maken deel uit van UVA's High Energy Physics Laboratory, die is gewijd aan het beantwoorden van fundamentele vragen over de totstandkoming van alles. Het werk is "hoge energie" omdat het enorme elektronische apparaten vereist om gecontroleerde botsingen tussen protonen te creëren, ontworpen om ze uit elkaar te halen en hun samenstellende deeltjes bloot te leggen, of om lange afstanden af ​​te leggen en gaandeweg veranderingen te ondergaan. Paschke, die ook op de afdeling UVA-fysica zit, richt zich op projecten met Jefferson Lab.

Alle experimenten vereisen krachtige, big-datacomputers en computertechnieken om onderzoekers te helpen tot in het kleinste detail inzicht te krijgen op basis van miljarden interacties tussen deeltjes.

Higgs en Quarks

Voor de eerste keer, wetenschappers hebben de directe interactie gemeten van het Higgs-deeltje (soms het 'God-deeltje' genoemd) met een ander type zwaar deeltje dat 'top-quarks' wordt genoemd. Het Higgs-deeltje, die in de jaren zestig werd getheoretiseerd en een veld creëert waardoor alle andere materie bestaat, werd in 2012 beroemd bevestigd door experimenten in de Large Hadron Collider in de buurt van Genève, Zwitserland. UVA-onderzoekers speelden een sleutelrol bij die ontdekking.

Deze koppeling tussen de Higgs- en top-quarks is belangrijk omdat, in theorie, deeltjes krijgen hun massa door interactie met het Higgs-veld, en massa is nodig om dingen te laten bestaan. Dit is een fundamenteel onderdeel van het standaardmodel van de fysica, die probeert uit te leggen hoe elementaire deeltjes - de deeltjes waaruit het universum bestaat - werken. Het is voor natuurkundigen al lang logisch dat Higgs-deeltjes en top-quarks zouden interageren, maar het moest bewezen worden.

Door een lange reeks experimenten bij de Large Hadron Collider, wetenschappers hebben bewezen dat ze dat inderdaad doen. Neu, een oude UVA-professor in de natuurkunde, en zijn team speelden een grote rol bij de ontdekking, onlangs gepubliceerd in het vooraanstaande tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Wetenschappers hadden nauwkeurige theoretische voorspellingen nodig voor de kenmerken van achtergrondprocessen, evenals de ontwikkeling van krachtige gegevensanalysemethoden die machinaal leren gebruiken om een ​​computer te leren signaalgebeurtenissen van achtergrond te onderscheiden, " zei Neu. "UVA-studenten en postdocs hebben de afgelopen zeven jaar aan beide essentiële aspecten van de analyse gewerkt."

Neu merkte op dat de bevinding een belangrijke stap is in het bevorderen van het begrip van het Higgs-deeltje en zijn rol in interacties tussen andere deeltjes, maar merkte op dat er nog steeds voldoende ruimte is voor ontdekking van momenteel onbekende verschijnselen.

"In de komende jaren, er zullen veel meer gegevens worden verzameld en de nauwkeurigheid wordt verbeterd, om te zien of de Higgs de aanwezigheid van natuurkunde buiten het standaardmodel onthult, " zei hij. "Dit is opwindend omdat we weten dat het standaardmodel een onvolledige theorie is; als we het ooit gaan begrijpen, bijvoorbeeld, de aard van donkere materie, het zou kunnen komen door het vinden van een discrepantie in wat we waarnemen met betrekking tot de Higgs in vergelijking met de algemeen aanvaarde voorspelling van wat er zou kunnen gebeuren."

Neutrino's begrijpen

Al meer dan drie jaar, wetenschappers hebben deeltjes waargenomen die neutrino's worden genoemd terwijl ze over een afstand van 500 mijl van het ene type naar het andere oscilleren. In een enorm project van $ 300 miljoen bij Fermilab genaamd NOvA, het doel is om meer te ontdekken over neutrino's - spookachtige en overvloedige deeltjes die door materie reizen, meestal zonder een spoor achter te laten.

Het is belangrijk omdat het universum, in zijn huidige staat, is het resultaat van deeltjesinteracties die plaatsvonden in de eerste seconden na de oerknal, bijna 14 miljard jaar geleden.

Het langetermijndoel van het experiment is om te zoeken naar overeenkomsten en verschillen in hoe neutrino's en antineutrino's van één type veranderen - in dit geval, muon - in een van de andere twee typen, elektron of tau. Door deze verandering in zowel neutrino's als antineutrino's nauwkeurig te meten, en dan vergelijken, zal wetenschappers helpen de geheimen te ontrafelen die deze deeltjes bevatten over hoe het universum blijft werken op het kleinste niveau - het niveau dat de grote dingen samenstelt:sterrenstelsels, sterren, planeten, bier.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers, waaronder een groep onder leiding van UVA-professor fysica Craig Dukes, sterke aanwijzingen hebben gezien dat muon-antineutrino's oscilleren in elektronen-antineutrino's, een fenomeen dat nooit eenduidig ​​was waargenomen.

NOvA gebruikt twee grote deeltjesdetectoren - een kleinere bij Fermilab in Illinois en een veel grotere 500 mijl verderop in het noorden van Minnesota - om een ​​bundel deeltjes te bestuderen die wordt gegenereerd door het versnellercomplex van Fermilab en rechtstreeks door de aarde wordt gestuurd. geen tunnel nodig (neutrino's reizen in wezen ongehinderd door materie).

De sleutel tot het wetenschappelijke programma van NOvA is het vergelijken van de snelheid waarmee elektronenneutrino's in de verre detector verschijnen met de snelheid waarmee elektronen-antineutrino's verschijnen. Door die verschillen nauwkeurig te meten, kan de NOvA een van haar belangrijkste wetenschappelijke doelen bereiken:bepalen welke van de drie soorten neutrino's het zwaarst is en welke het lichtst, allemaal onderdeel van de zoektocht naar het hoe en waarom van het bestaan.

Sommige van de detectorinstrumenten bij Fermilab zijn ontworpen en gebouwd in het High Energy Physics Lab van UVA.

De zwakke kant van het proton

Een nieuw resultaat van een groot experiment in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility biedt een precisietest van de "zwakke kracht, " die, terwijl het zwak klinkt, is een van de vier fundamentele krachten in de natuur. de bevinding, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , biedt een venster op potentiële nieuwe deeltjes die verder kunnen worden onderzocht in de Large Hadron Collider.

Hoewel de zwakke kracht moeilijk direct waar te nemen is, de invloed ervan is voelbaar in onze dagelijkse wereld. Bijvoorbeeld, het initieert de keten van reacties die de zon aandrijven, en het biedt een mechanisme voor radioactief verval dat de kern van de aarde gedeeltelijk verwarmt - en dat artsen ook in staat stelt ziekten in het lichaam op te sporen zonder operatie.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers, waaronder Paschke en zijn UVA-medewerker, natuurkundige Gordon Cates, hebben 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 onderzochten met behulp van hoogwaardige bundels die beschikbaar zijn in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility van Jefferson Lab.

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, 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 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 twee delen op 10 miljoen werd gemeten voor de twee bundelpolarisatietoestanden.

De zwakke lading van het proton bleek uitstekend overeen te komen 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 resultaat geeft inzicht in voorspellingen van tot nu toe niet waargenomen zware deeltjes, zoals die kunnen worden geproduceerd door de Large Hadron Collider of toekomstige hoogenergetische deeltjesversnellers.