Исследователи впервые экспериментально вычислили слабый заряд протона. Данные были получены в результате эксперимента Q-weak, проводимого в Лаборатории Джефферсона. Помимо вычислений для протона, физики также работали с информацией о слабом заряде нейтрона, верхнего кварка и нижнего кварка.
На сегодняшний день полученные вычисления являются самыми точными, хотя выводы были сделаны на основе анализа лишь 4% всех данных. Чтобы включить оставшуюся информацию потребуется ещё год теоретической работы.
Эксперимент Q-weak направлен на исследование слабого взаимодействия элементарных частиц. Это одна из четырёх фундаментальных сил, действующих в природе, помимо гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия.
Слабое взаимодействие проявляется только на субатомном уровне, но его эффекты мы наблюдаем ежедневно: например, оно ответственно за естественную радиацию и ядерные реакции в звёздах.
Около десятилетия назад сотрудники Лаборатории Джефферсона предложили провести эксперимент с целью измерить напрямую слабый заряд протона, то есть определить, насколько мощно он взаимодействует с другими элементарными частицами через слабое взаимодействие.
Теоретически уже получили эти данные в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Но эксперимент Q-weak является отличной проверкой этой схемы на практике.
В ходе исследования учёные направили продольно поляризованный интенсивный пучок электронов на ёмкость с жидким водородом. Электроны, испытывающие лишь скользящие столкновения с протонами (происходило упругое рассеяние, протоны оставались незатронутыми), выходили под острыми углами и перенаправлялись мощными электромагнитами на восемь детекторов, расположенных симметрично относительно друг друга.
Слабое взаимодействие проявляется значительно слабее, чем электромагнетизм. На практике из миллиона электронов, взаимодействующих с протонами посредством электромагнетизма, лишь один будет проявлять слабое взаимодействие.
Физики изучили и измерили все эти немногочисленные случаи, приняв во внимание важную разницу между этими двумя силами. Слабое взаимодействие нарушает пространственную чётность, в то время как электромагнитное − нет.
Сохранив все параметры эксперимента и изменив только поляризацию пучка электронов, физики смогли поймать разницу между измерениями двух направлений поляризации и выявить эффекты, производимые лишь слабым взаимодействием.
Первичные результаты проекта Q-weak показали, что экспериментальные данные о слабом заряде протона очень хорошо согласуются с теоретическими, представленными в Стандартной модели. Тем не менее, физикам предстоит проанализировать в 25 раз больше информации, чем они уже обоработали. Окончательные результаты должны будут либо утвердить Стандартную модель, либо её опровергнуть.
Соавтор исследования и представитель Лаборатории Джефферсона Роджер Карлини (Roger Carlini) говорит, что одной из целей их работы является поиск следов новой физики, способной опровергнуть привычные теоретические модели.
Добавим, что установка для отправки интенсивного пучка поляризованных электронов (CEBAF) также была создана сотрудниками Лаборатории Джефферсона и является их основным рабочим инструментом.
Статья учёных уже принята к публикации в журнале Physical Review Letters и появится в сети 13 октября 2013 года. А пока её можно почитать в этом PDF-документе.
Также по теме:
Обнаружены первые следы Новой физики
Физики опровергли свидетельства двойного безнейтринного бета-распада
Получены новые данные о соотношении масс нейтрино и антинейтрино
Редкий распад на коллайдере опроверг теорию суперсимметрии
Физикам удалось напрямую измерить вандерваальсовы силы
