I fisici dell'Università della Virginia hanno recentemente svolto ruoli chiave nelle nuove scoperte sulla fisica delle particelle. Gli scienziati sono coinvolti in grandi collaborazioni internazionali utilizzando importanti strutture progettate per ampliare la nostra conoscenza dei dettagli più intimi di come i più piccoli frammenti di atomi conosciuti possano aver dato vita all'universo.

I progetti di ricerca sono guidati all'UVA dal fisico Craig Dukes, lavorando con il Fermi National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti in Illinois; Chris Neu, che lavora con il Large Hadron Collider in Europa; e Kent Paschke, che lavora con il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del DOE, o Jefferson Lab, nelle notizie di Newport.

duchi, Neu e i loro team fanno parte del Laboratorio di Fisica delle Alte Energie dell'UVA, che è dedicato a rispondere a domande fondamentali che coinvolgono la realizzazione di tutto. Il lavoro è "ad alta energia" perché richiede enormi dispositivi elettronici per creare collisioni controllate tra protoni, progettati per romperli ed esporre le loro particelle costituenti, o per percorrere lunghe distanze e subire cambiamenti man mano che vanno. Pasquale, che è anche nel Dipartimento di Fisica UVA, si concentra su progetti con Jefferson Lab.

Tutti gli esperimenti richiedono un'elevata potenza, computer di grandi dimensioni e tecniche di calcolo per aiutare i ricercatori a comprendere in modo estremamente dettagliato fatto da miliardi di interazioni di particelle.

Higgs e Quark

Per la prima volta, gli scienziati hanno misurato l'interazione diretta del bosone di Higgs (a volte chiamato "particella di Dio") con un altro tipo di particella pesante chiamata "quark top". Il bosone di Higgs, che è stato teorizzato negli anni '60 e crea un campo attraverso il quale esiste tutta l'altra materia, è stato notoriamente confermato nel 2012 da esperimenti al Large Hadron Collider vicino a Ginevra, Svizzera. I ricercatori dell'UVA hanno giocato un ruolo chiave in quella scoperta.

Questo legame tra l'Higgs e i quark top è importante perché, in teoria, le particelle acquisiscono massa interagendo con il campo di Higgs, e la massa è necessaria perché le cose esistano. Questa è una parte fondamentale del Modello Standard della Fisica, che tenta di spiegare come operano le particelle elementari, le particelle che costituiscono l'universo stesso. Per i fisici ha avuto a lungo un senso che le particelle di Higgs e i quark top interagissero, ma doveva essere dimostrato.

Attraverso una lunga serie di esperimenti al Large Hadron Collider, gli scienziati hanno dimostrato che in effetti lo fanno. Nuovo, un professore di fisica UVA di lunga data, e la sua squadra hanno giocato un ruolo importante nella scoperta, pubblicato di recente sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

"Gli scienziati avevano bisogno di previsioni teoriche precise per le caratteristiche dei processi in background, nonché lo sviluppo di potenti metodi di analisi dei dati che utilizzano l'apprendimento automatico per insegnare a un computer a distinguere gli eventi di segnale dallo sfondo, "Neu ha detto. "Gli studenti e i postdoc UVA hanno lavorato su entrambi questi aspetti vitali dell'analisi negli ultimi sette anni".

Neu ha notato che la scoperta è un passo importante per approfondire la comprensione del bosone di Higgs e il suo ruolo nelle interazioni tra altre particelle, ma ha notato che c'è ancora molto spazio per la scoperta di fenomeni attualmente sconosciuti.

"Negli anni a venire, verranno raccolti molti più dati e la precisione sarà migliorata, per vedere se l'Higgs rivela la presenza della fisica oltre il Modello Standard, " ha detto. "Questo è eccitante perché sappiamo che il Modello Standard è una teoria incompleta; se mai riusciremo a capire, ad esempio, la natura della materia oscura, potrebbe derivare dal trovare una discrepanza in ciò che osserviamo riguardo all'Higgs rispetto alla previsione comunemente accettata di ciò che potrebbe accadere."

Capire i neutrini

Da più di tre anni, gli scienziati hanno osservato particelle chiamate neutrini mentre oscillano da un tipo all'altro su una distanza di 500 miglia. In un enorme progetto da 300 milioni di dollari al Fermilab chiamato NOvA, lo scopo è scoprire di più sui neutrini, particelle spettrali e abbondanti che viaggiano attraverso la materia, per lo più senza lasciare traccia.

È importante perché l'universo, nel suo stato attuale, è il risultato di interazioni tra particelle avvenute nei primi secondi dopo il Big Bang, quasi 14 miliardi di anni fa.

L'obiettivo a lungo termine dell'esperimento è cercare somiglianze e differenze nel modo in cui i neutrini e gli antineutrini cambiano da un tipo - in questo caso, muon - in uno degli altri due tipi, elettrone o tau. Misurando con precisione questo cambiamento sia nei neutrini che negli antineutrini, e poi confrontandoli, aiuterà gli scienziati a svelare i segreti che queste particelle custodiscono su come l'universo continua a funzionare al suo livello più piccolo, il livello che compone le grandi cose:galassie, stelle, pianeti, birra.

Ora, ricercatori, compreso un gruppo guidato dal professore di fisica dell'UVA Craig Dukes, hanno visto forti prove di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici, un fenomeno che non era mai stato osservato senza ambiguità.

NOvA utilizza due grandi rilevatori di particelle – uno più piccolo al Fermilab in Illinois e uno molto più grande a 500 miglia di distanza nel Minnesota settentrionale – per studiare un fascio di particelle generato dal complesso acceleratore del Fermilab e inviato direttamente attraverso la Terra, nessun tunnel richiesto (i neutrini viaggiano essenzialmente senza ostacoli attraverso la materia).

La chiave del programma scientifico di NOvA è confrontare la velocità con cui appaiono i neutrini elettronici nel rivelatore lontano con la velocità con cui appaiono gli antineutrini elettronici. Una misurazione precisa di tali differenze consentirà a NOvA di raggiungere uno dei suoi principali obiettivi scientifici:determinare quale dei tre tipi di neutrini è il più pesante e quale il più leggero, tutto fa parte della ricerca per decifrare i come ei perché dell'esistenza.

Alcuni degli strumenti rivelatori del Fermilab sono stati progettati e costruiti presso l'High Energy Physics Lab dell'UVA.

Il lato debole del protone

Un nuovo risultato di un grande esperimento presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility fornisce un test di precisione della "forza debole, " quale, mentre suona debole, è una delle quattro forze fondamentali in natura. Il ritrovamento, pubblicato sulla rivista Natura , fornisce una finestra su potenziali nuove particelle che potrebbero essere ulteriormente esplorate al Large Hadron Collider.

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, i ricercatori, tra cui Paschke e il suo collaboratore UVA, fisico Gordon Cates, hanno 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 fasci di alta qualità disponibili presso il Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility.

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, che descrive le forze elettromagnetiche e deboli come due diversi aspetti di una singola 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 dell'esperimento è che gli elettroni nel raggio erano altamente polarizzati, preparati prima dell'accelerazione per "rotare" principalmente 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), per isolare i suoi minuscoli effetti ad alta precisione:è stata misurata una diversa velocità di scattering di circa due parti su 10 milioni per i due stati di polarizzazione del fascio.

La carica debole del protone è risultata 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 risultato fornisce informazioni sulle previsioni di particelle pesanti finora non osservate, come quelli che potrebbero essere prodotti dal Large Hadron Collider o dai futuri acceleratori di particelle ad alta energia.