Un nuovo risultato dell'esperimento Q-weak presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia fornisce un test di precisione della forza debole, una delle quattro forze fondamentali in natura. Questo risultato, pubblicato di recente in Natura , limita anche le possibilità di nuove particelle e forze oltre la nostra attuale conoscenza.

"Misurazioni di precisione come questa possono fungere da finestre su un mondo di potenziali nuove particelle che altrimenti potrebbero essere osservabili solo utilizzando acceleratori ad altissima energia che sono attualmente al di fuori della portata delle nostre capacità tecniche, " disse Ruggero Carlini, uno scienziato del Jefferson Lab e un co-portavoce per la collaborazione Q-weak.

Mentre la forza debole è difficile da osservare direttamente, la sua influenza può essere sentita nel nostro mondo quotidiano. Per esempio, avvia la catena di reazioni che alimentano il sole e fornisce un meccanismo per i decadimenti radioattivi che riscaldano parzialmente il nucleo della Terra e che consentono anche ai medici di rilevare le malattie all'interno del corpo senza intervento chirurgico.

Ora, la collaborazione Q-weak ha rivelato uno dei segreti della forza debole:la forza precisa della sua presa sul protone. Lo hanno fatto misurando la debole carica del protone ad alta precisione, che hanno sondato utilizzando i fasci di alta qualità disponibili presso il Continuous Electron Beam Accelerator Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

La carica debole del protone è analoga alla sua carica elettrica più familiare, una misura dell'influenza che il protone subisce dalla forza elettromagnetica. Queste due interazioni sono strettamente correlate nel Modello Standard, una teoria di grande successo che descrive le forze elettromagnetiche e deboli come due diversi aspetti di un'unica forza che interagisce con le particelle subatomiche.

Per misurare la carica debole del protone, un intenso fascio di elettroni è stato diretto su un bersaglio contenente idrogeno liquido freddo, e gli elettroni dispersi da questo bersaglio sono stati rilevati in un preciso, apparecchi di misura su misura. La chiave per l'esperimento Q-debole è che gli elettroni nel raggio erano altamente polarizzati - preparati prima dell'accelerazione per essere per lo più "roteanti" in una direzione, parallelo o antiparallelo alla direzione del raggio. Con la direzione della polarizzazione rapidamente invertita in modo controllato, gli sperimentatori sono stati in grado di aggrapparsi alla proprietà unica dell'interazione debole della violazione della parità (simile alla simmetria speculare), al fine di isolare i suoi piccoli effetti ad alta precisione:è stata misurata una diversa velocità di scattering di circa 2 parti su 10 milioni per i due stati di polarizzazione del fascio.

La carica debole del protone è risultata essere QWp=0,0719±0,0045, che risulta essere in ottimo accordo con le previsioni del Modello Standard, che tiene conto di tutte le particelle subatomiche conosciute e delle forze che agiscono su di esse. Poiché la carica debole del protone è prevista in modo così preciso in questo modello, il nuovo risultato Q-debole fornisce informazioni sulle previsioni di particelle pesanti finora inosservate, come quelli che potrebbero essere prodotti dal Large Hadron Collider (LHC) al CERN in Europa o futuri acceleratori di particelle ad alta energia.

"Questo risultato sperimentale molto impegnativo è un altro indizio nella ricerca mondiale di nuova fisica oltre la nostra attuale comprensione. Ci sono ampie prove che il modello standard della fisica delle particelle fornisce solo una descrizione incompleta dei fenomeni della natura, ma dove arriverà la svolta rimane inafferrabile, " ha detto Timothy J. Hallman, Direttore Associato per la Fisica Nucleare del Dipartimento di Energia Office of Science. "Esperimenti come Q-weak si stanno avvicinando sempre di più alla ricerca della risposta".

Per esempio, il risultato Q-debole ha posto dei limiti alla possibile esistenza di leptoquark, che sono particelle ipotetiche che possono invertire le identità di due ampie classi di particelle fondamentali molto diverse - trasformando i quark (i mattoni della materia nucleare) in leptoni (elettroni e le loro controparti più pesanti) e viceversa.

"Dopo oltre un decennio di attento lavoro, Q-weak non solo ha informato il Modello Standard, ha dimostrato che l'estrema precisione può consentire agli esperimenti a energia moderata di ottenere risultati alla pari con i più grandi acceleratori disponibili per la scienza, "ha detto Anne Kinney, Assistente del direttore per la direzione delle scienze matematiche e fisiche presso la National Science Foundation. "Tale precisione sarà importante nella caccia alla fisica oltre il Modello Standard, dove i nuovi effetti particellari apparirebbero probabilmente come deviazioni estremamente piccole".

"Sono informazioni complementari. Quindi, se trovano prove per una nuova fisica in futuro all'LHC, possiamo aiutare a identificare cosa potrebbe essere, dai limiti che poniamo già in questo scritto, " ha detto Greg Smith, Scienziato del Jefferson Lab e project manager Q-weak.