David Armstrong bestudeert een fenomeen dat alomtegenwoordig is in de natuur, toch weten slechts een paar niet-wetenschappers wat het is.

Het wordt de zwakke kracht genoemd, of de zwakke interactie. Armstrong werd onlangs benoemd tot Fellow van de American Physical Society in 2018. Zijn citaat luidt dat de eer is gebaseerd op "zijn leidende rol in een carrière-lang onderzoeksprogramma gericht op het karakteriseren en begrijpen van de rol van de zwakke kracht en pariteit-schendende verschijnselen in de kernfysica."

"Dit is een belangrijke professionele eer. Het aantal fellows dat elk jaar wordt gekozen, is beperkt tot niet meer dan de helft van een procent van het APS-lidmaatschap, " zei Christopher D. Carone, voorzitter van het William &Mary Department of Physics.

"Momenteel, ongeveer 30 procent van de reguliere natuurkundefaculteiten van William &Mary zijn APS Fellows. Ik kijk er naar uit om dit percentage de komende jaren aanzienlijk te zien groeien!" voegde Carone eraan toe.

Armstrong kwam in 1994 bij William &Mary. Nu, als bondskanselier hoogleraar natuurkunde, verdeelt zijn tijd tussen Small Hall en het Jefferson Lab, waar hij meewerkt aan een aantal deeltjesfysica-experimenten, waarvan de meeste betrekking hebben op de zwakke kracht. Als Armstrong over zijn werk praat met mensen die geen natuurkunde spreken, hij begint met uit te leggen dat de zwakke kracht een van de vier fundamentele interacties is die het universum draaiende houden.

"Twee van hen zijn bekend bij de meesten van ons, Armstrong zei. "Zwaartekracht:het houdt de planeten in een baan rond de zon en houdt ons vast aan de aarde. Elektriciteit en magnetisme:we hebben sinds Maxwell geleerd dat het twee aspecten van dezelfde kracht zijn. Die kennen we wel, en elektromagnetisme is wat verantwoordelijk is voor de elektronen die in een baan rond de kern blijven. In principe, alle scheikunde komt voort uit elektriciteit en magnetisme."

Minder bekend bij het lekenpubliek, hij zei, zijn de twee kernkrachten. De sterke kracht houdt de protonen en neutronen (en hun samenstellende quarks) in de kern bij elkaar. De laatste, en minst bekend, van de fundamentele interacties is de zwakke kracht, verantwoordelijk voor bepaalde soorten radioactief verval.

"In tegenstelling tot die andere interacties, Ik kan je geen voorbeeld geven van iets dat bij elkaar wordt gehouden door de zwakke kracht, Armstrong zei. "Maar de zwakke kracht is ongelooflijk belangrijk, omdat het leven niet zou bestaan ​​zonder."

Hij wees erop dat het fusieproces in de zon, waarbij waterstofatomen op elkaar glommen om helium te worden, is een voorbeeld van de zwakke kracht in actie. Een cruciale stap in die reactieketen vindt plaats door de zwakke kracht, dus in feite drijft de zwakke kracht de kernoven van de zon aan.

"Als de zwakke interactie significant sterker was dan het is, dan zou de zon jaren geleden zijn doorgebrand, " zei hij. "Als de zwakke interactie zwakker was, dan zou de zon niet zijn ontstoken."

"Bepaalde soorten radioactief verval, die vaak nuttig zijn bij zaken als medische beeldvorming, plaatsvinden door de zwakke interactie, " hij legde uit.

Zijn vroege onderzoek betrof een deeltje genaamd het muon, die hij noemde "het elektron van korte duur, zwaardere zus." ("Ik weet niet waarom, maar de muon lijkt me vrouwelijk, " hij zei.)

Het muon is 200 keer zwaarder dan het elektron, maar kan alles doen wat een elektron doet. Bijvoorbeeld, Armstrong zei dat natuurkundigen een atoom kunnen maken waarin muonen elektronen vervangen. Dit vermogen om van rol te wisselen komt voort uit een kenmerk dat uniek is voor de zwakke interactie.

"Het stelt deeltjes in staat om te transmuteren - om hun aard te veranderen, Armstrong zei. "Het muon zal door de zwakke interactie in andere deeltjes vervallen. Het muon vervalt typisch in een elektron en een paar neutrino's."

De zwakke krachtgedreven superkracht van het muon van transmogrificatie stelt het in staat om te interageren met de kern, ook, omzetten van protonen in neutronen, met enkele neutrino's als verandering.

"Dus veel van mijn onderzoek was aanvankelijk gebaseerd op het begrijpen van de zwakke interacties van protonen en neutronen in kernen, " hij zei.

Kort nadat hij bij JLab en William &Mary kwam, 25 jaar geleden, hij realiseerde zich dat er een mogelijkheid was om zijn onderzoek naar de zwakke kracht van muonen te gebruiken en toe te passen op de zwakke kracht van de slankere broer of zus van het muon, het elektron.

Armstrong maakt deel uit van Qweak Collaboration, een verzameling wetenschappers die de allereerste directe meting van de zwakke lading van het proton hebben geregistreerd in de JLab-faciliteit van het Department of Energy. In zijn meest recente werk, Armstrong gebruikt een andere eigenschap die uniek is voor de zwakke kracht in zijn experimenten.

"Het schendt een symmetrie van de natuur die pariteit wordt genoemd, " legde hij uit. " Symmetrieën zijn uiterst belangrijk in de natuurkunde; ze vertellen ons dat er iets fundamenteels aan de hand is."

Er is sprake van pariteit wanneer een "spiegelbeeld" van een systeem (een waarin alle plussen en minnen zijn gewijzigd) identiek is aan het oorspronkelijke systeem. Pariteit is een eigenschap van zwaartekracht, elektromagnetisme, de sterke kracht - en voor een lange tijd, pariteit werd beschouwd als een universele eigenschap van het universum.

"In de jaren vijftig we ontdekten dat dat niet het geval was, alleen vanwege de zwakke interactie, "Zei Armstrong. Als jouw reflectie in een spiegel onthuld wordt, zeggen, een extra vinger, dat zou best raar zijn, vooral als je naar je hand kijkt en geen nieuwe cijfers ziet. Het is een analogie van pariteitsschending, maar niet een complete:in tegenstelling tot een extra pink in de spiegel, pariteitsschending in de zwakke kracht is volkomen natuurlijk.

En, voor wetenschappers, de unieke pariteitsstatus van de zwakke kracht geeft Armstrong en andere natuurkundigen een toegangspoort tot het nastreven van nieuwe natuurkunde, verder dan het standaardmodel. Dit streven omvat onderzoek naar de zwakke kracht en andere gebieden buiten de dagelijkse waarneming, zoals zwaartekrachtgolven, neutrino's en quarks.

Naast het Q-Weak-experiment bij JLab, Armstrong bestudeert ook de quarks waaruit protonen en neutronen bestaan. Er zijn zes quarks, elementaire deeltjes binnen het standaardmodel die een reeks ongebruikelijke namen dragen:top, onderkant, omhoog, omlaag, vreemd en charmant.

"Ik kan de verschillende soorten quarks identificeren door hun zwakke interacties, " zei hij. Up en down quarks zijn de elementaire bouwstenen van materie, terwijl ze samensmelten tot protonen en neutronen, en Armstrong en zijn medewerkers waren in staat om de zwakke kracht te gebruiken om meer te weten te komen over de bijdrage van de vreemde quark aan de grootte en het magnetische moment van het proton.

Hij is betrokken bij een aankomend JLab-experiment dat pariteitsschending gebruikt om een ​​zeer zware kern te onderzoeken:lood.

"Lood heeft meer neutronen dan protonen, Armstrong zei. "Daarom, je zou verwachten dat de verdeling van neutronen in een loden kern ervoor zou zorgen dat ze 'uitsteken', waardoor een neutronenhuid aan de buitenkant van de kern ontstaat.

"Het blijkt dat de zwakke interactie een geweldige manier is om daar naar te zoeken, " voegde hij eraan toe. "Omdat de neutronen anders op elkaar inwerken dan de protonen."

De neutronenhuid, hij zei, blijft theoretisch. Maar hij hoopt dat zijn experiment de eerste waarneming zal zijn die dit bevestigt. Het zou een belangrijke observatie zijn met kosmologische implicaties.

"Het vertelt ons niet alleen over kernen, maar het houdt ook verband met dingen die van belang zijn voor astronomen en astrofysici, " legde Armstrong uit. "Omdat een neutronenster niets meer is dan de grootste kern van het universum - en een die wordt gedomineerd door neutronen."