David Armstrong studia un fenomeno che è onnipresente in natura, eppure solo pochi non scienziati sanno di cosa si tratta.

Si chiama la forza debole, o l'interazione debole. Armstrong è stato recentemente nominato Fellow 2018 dell'American Physical Society. La sua citazione recita che l'onore si basa sul "suo ruolo di leadership in un programma di ricerca lungo tutta la carriera incentrato sulla caratterizzazione e la comprensione del ruolo della forza debole e dei fenomeni che violano la parità nella fisica nucleare".

"Questo è un importante onore professionale. Il numero di borsisti eletti ogni anno è limitato a non più della metà dell'uno per cento dei membri dell'APS, " ha detto Christopher D. Carone, presidente del Dipartimento di Fisica William &Mary.

"Attualmente, circa il 30 percento della normale facoltà di fisica alla William &Mary sono Fellow APS. Non vedo l'ora di vedere questa percentuale crescere in modo significativo negli anni futuri!" ha aggiunto Carone.

Armstrong è arrivato alla William &Mary nel 1994. Ora, come Cancelliere Professore di Fisica, divide il suo tempo tra Small Hall e il Jefferson Lab, dove collabora a numerosi esperimenti di fisica delle particelle, la maggior parte dei quali coinvolge la forza debole. Quando Armstrong parla del suo lavoro a persone che non parlano di fisica, inizia spiegando che la forza debole è una delle quattro interazioni fondamentali che fanno funzionare l'universo.

"Due di loro sono familiari alla maggior parte di noi, " Armstrong ha detto. "Gravity:mantiene i pianeti in orbita attorno al sole e ci tiene fissati alla Terra. Elettricità e magnetismo:abbiamo imparato da Maxwell che sono due aspetti della stessa forza. Abbiamo familiarità con quelli, e l'elettromagnetismo è ciò che è responsabile per gli elettroni che rimangono in orbita attorno al nucleo. Fondamentalmente, tutta la chimica nasce dall'elettricità e dal magnetismo."

Meno familiare al pubblico laico, Egli ha detto, sono le due forze nucleari. La forza forte tiene insieme i protoni ei neutroni (ei loro quark costituenti) nel nucleo. L'ultimo, e meno familiare, delle interazioni fondamentali è la forza debole, responsabile di alcuni tipi di decadimento radioattivo.

"A differenza di quelle altre interazioni, Non posso darti un esempio di qualcosa che è tenuto insieme dalla forza debole, " Armstrong ha detto. "Ma la forza debole è incredibilmente importante, perché la vita non esisterebbe senza di essa."

Ha sottolineato che il processo di fusione al sole, per cui gli atomi di idrogeno si avvicinano l'uno all'altro per diventare elio, è un esempio della forza debole in azione. Un passaggio critico in quella catena di reazione avviene attraverso la forza debole, così in effetti la forza debole guida la fornace nucleare del sole.

"Se l'interazione debole fosse significativamente più forte di quello che è, allora il sole si sarebbe spento anni fa, " disse. "Se l'interazione debole fosse più debole, allora il sole non si sarebbe acceso."

"Alcuni tipi di decadimento radioattivo, che sono spesso utili in cose come l'imaging medico, avviene attraverso l'interazione debole, " Lui ha spiegato.

Le sue prime ricerche riguardavano una particella chiamata muone, che chiamò "la vita breve dell'elettrone, sorella più pesante." ("Non so perché, ma il muone mi sembra femmina, " Egli ha detto.)

Il muone è 200 volte più massiccio dell'elettrone, ma può fare tutto ciò che fa un elettrone. Per esempio, Armstrong ha detto che i fisici possono creare un atomo in cui i muoni sostituiscono gli elettroni. Questa capacità di cambiare ruolo deriva da una caratteristica unica dell'interazione debole.

"Permette alle particelle di trasmutarsi, di cambiare la loro natura, " Armstrong ha detto. "Il muone decadrà attraverso l'interazione debole in altre particelle. Il muone tipicamente decade in un elettrone e un paio di neutrini".

La debole superpotenza di trasmogrificazione guidata dalla forza del muone gli consente di interagire con il nucleo, anche, convertire i protoni in neutroni, con alcuni neutrini in cambio.

"Quindi gran parte della mia ricerca inizialmente si basava sulla comprensione delle interazioni deboli di protoni e neutroni nei nuclei, " Egli ha detto.

Poco dopo essere arrivato a JLab e William &Mary, 25 anni fa, si rese conto che c'era un'opportunità di usare la sua indagine sulla forza debole dei muoni e applicarla alla forza debole del fratello più snello del muone, l'elettrone.

Armstrong fa parte di Qweak Collaboration, una raccolta di scienziati che hanno registrato la prima misurazione diretta della carica debole del protone presso la struttura JLab del Dipartimento dell'Energia. Nel suo lavoro più recente, Armstrong sta usando un'altra proprietà unica della forza debole nei suoi esperimenti.

"Viola una simmetria della natura chiamata parità, " ha spiegato. "Le simmetrie sono estremamente importanti in fisica; ci dicono che sta succedendo qualcosa di fondamentale".

La parità esiste quando una "immagine speculare" di un sistema (una in cui tutti i vantaggi e gli svantaggi sono cambiati) è identica al sistema originale. La parità è una proprietà della gravità, elettromagnetismo, la forza forte - e per lungo tempo, si credeva che la parità fosse una proprietà universale dell'universo.

"Negli anni Cinquanta, abbiamo scoperto che non era il caso, unicamente a causa dell'interazione debole, " disse Armstrong. Se il tuo riflesso in uno specchio si rivelasse, dire, un dito in più, sarebbe piuttosto strano, soprattutto quando guardi la tua mano e non vedi nuove cifre. È un analogo della violazione della parità, ma non completo:a differenza di un mignolo in più nello specchio, la violazione della parità nella forza debole è del tutto naturale.

E, per gli scienziati, lo stato di parità dispari della forza debole dà ad Armstrong e ad altri fisici un punto di ingresso nella ricerca di una nuova fisica, oltre il Modello Standard. Questa ricerca implica l'indagine sulla forza debole e su altre aree al di là della percezione quotidiana, come le onde gravitazionali, neutrini e quark.

Oltre all'esperimento Q-Weak al JLab, Armstrong studia anche i quark che compongono protoni e neutroni. Ci sono sei quark, particelle elementari all'interno del Modello Standard che portano una serie di nomi insoliti:top, parte inferiore, su, fuori uso, strano e affascinante.

"Posso identificare i diversi tipi di quark attraverso le loro interazioni deboli, " disse. I quark up e down sono i mattoni elementari della materia, mentre si assemblano in protoni e neutroni, e Armstrong ei suoi collaboratori furono in grado di usare la forza debole per conoscere il contributo del quark strano alla dimensione e al momento magnetico del protone.

È coinvolto in un imminente esperimento JLab che utilizza la violazione della parità per esaminare un nucleo molto pesante:il piombo.

"Il piombo ha più neutroni che protoni, " Armstrong ha detto. "Pertanto, ci si potrebbe aspettare che la distribuzione dei neutroni in un nucleo di piombo li faccia "sporgere", creando una pelle di neutroni all'esterno del nucleo.

"Si scopre che l'interazione debole è un ottimo modo per cercarlo, " ha aggiunto. "Perché i neutroni interagiscono in modo diverso rispetto ai protoni".

La pelle di neutroni, Egli ha detto, rimane teorico. Ma spera che il suo esperimento sia il primo a confermarlo osservativamente. Sarebbe un'osservazione importante con implicazioni cosmologiche.

"Non ci parla solo di nuclei, ma si collega anche a cose di interesse per astronomi e astrofisici, "Spiegava Armstrong. "Perché una stella di neutroni non è altro che il nucleo più grande dell'universo, ed è dominato dai neutroni".