I fisici nucleari hanno misurato con successo la debole carica del protone sparando elettroni su un bersaglio di idrogeno liquido freddo in un esperimento condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia. Soprannominato Q-debole, l'esperimento di precisione ha presentato molte sfide tecniche per i fisici da risolvere per la sua conclusione positiva.

Una variabile potenzialmente confondente era lo stesso obiettivo dell'idrogeno liquido freddo. Il sistema di destinazione è stato progettato su misura per Q-debole, prestando attenzione a costruire un sistema che potesse mantenere freddo l'idrogeno anche mentre veniva bombardato da uno spietato ma preciso raggio di elettroni rotanti.

I fisici hanno dovuto anche considerare quale impatto avrebbe avuto sul loro risultato il contenitore di alluminio che conteneva l'idrogeno. Da parte sua nel risolvere questa sfida tecnica e per la tesi che ha scritto su questi sforzi, Kurtis Bartlett è stato insignito del Jefferson Science Associates Thesis Prize 2018.

La carica debole del protone descrive quanto la forza debole, una delle quattro forze fondamentali dell'universo, agisce sul protone.

"Sondare il protone con un elettrone tramite la forza debole, ti permette di misurare effettivamente la carica debole, " ha detto Barletta.

Ma, come suggerisce il nome, la forza debole è, bene, debole. Gli elettroni hanno molte più probabilità di interagire con i protoni attraverso la forza elettromagnetica, un'altra forza fondamentale.

Fortunatamente, la forza debole ha un marcatore unico:viola una simmetria universale chiamata parità. Un processo che conserva la simmetria di parità si verifica con la stessa probabilità della sua immagine speculare. La forza debole mostra asimmetria per le trasformazioni di parità.

"Misurare questa asimmetria dà accesso alla forza debole, " ha detto Bartlett. "Tuttavia, è molto difficile da fare in laboratorio, è un tipo di operazione matematica."

Anziché, Q-weak ha usato un sostituto per la trasformazione della parità. Prima che gli elettroni fossero accelerati, erano polarizzati in modo che ruotassero tutti nella stessa direzione del raggio, o la direzione opposta a quella del raggio.

Poiché la forza elettromagnetica conserva la simmetria di parità, interagisce allo stesso modo con gli elettroni che ruotano in entrambe le direzioni. Ma poiché la forza debole viola la simmetria di parità, interagisce maggiormente con gli elettroni che ruotano in una direzione. I fisici sono in grado di sfruttare questa differenza per ottenere una misura della carica debole del protone.

Raggiungendo quella misura, però, non era così semplice. Nell'esperimento, una piccola frazione di elettroni che i fisici misurano non ha mai effettivamente colpito il bersaglio dell'idrogeno. Anziché, alcuni elettroni sparsi dal contenitore di alluminio che conteneva l'idrogeno, che ha contaminato il debole segnale di forza che i fisici stavano cercando di misurare.

È qui che è entrato in gioco Bartlett. Il suo compito era ridurre al minimo questa contaminazione del segnale determinando la quantità del segnale misurato proveniente dal contenitore target in alluminio.

"Ho attraversato il processo per capire come correggere i nostri valori misurati, " ha detto Barlett.

Fare così, Q-weak ha rimosso l'obiettivo dell'idrogeno per alcune corse, sostituendolo con un pezzo di alluminio identico al contenitore. Quindi Q-debole ha sparato di nuovo elettroni polarizzati al bersaglio, tranne che invece di misurare l'asimmetria di parità usando un protone di idrogeno, Bartlett ha misurato l'asimmetria di parità utilizzando un nucleo di alluminio.

"È la prima volta che questo tipo di asimmetria è mai stato misurato, che è una cosa piuttosto eccitante, " Egli ha detto.

Bartlett ha lavorato alla sua tesi, "Prime misurazioni delle asimmetrie a singolo spin che violano la parità e normali del fascio nella diffusione elastica di elettroni-alluminio, " al Jefferson Lab mentre perseguiva il suo dottorato di ricerca in fisica nucleare sperimentale presso William &Mary. Il suo relatore di tesi era Wouter Deconinck, un assistente professore di fisica alla William &Mary che ha anche lavorato all'esperimento Q-debole.

Bartlett ha presentato il suo lavoro di tesi al Jefferson Lab Users Organization Board of Directors, che sovrintendono al processo di assegnazione del premio di tesi JSA. Gli utenti sono scienziati di tutti gli Stati Uniti e di tutto il mondo che conducono esperimenti fondamentali di fisica nucleare con le strutture e le capacità di ricerca di Jefferson Lab.

"Ero entusiasta di sentire la notizia che avevo vinto, e sono molto onorato di riceverlo, " ha detto Bartlett. "Anche se ho ricevuto questo premio per la mia tesi, è molto uno sforzo di gruppo, e voglio evidenziare che il Q-debole nel suo insieme ha coinvolto molti scienziati, ingegneri, tecnici e personale amministrativo per fare tutto."

Il premio di tesi JSA viene assegnato ogni anno per il miglior dottorato di ricerca. tesi di laurea sulla ricerca relativa alla scienza del Jefferson Lab, e include $ 2, 500 premi in denaro e una targa commemorativa. Le candidature vengono giudicate in base a quattro criteri:la qualità del lavoro scritto, il contributo dello studente alla ricerca, l'impatto del lavoro nel campo della fisica, e servizio (come il lavoro avvantaggia Jefferson Lab o altri esperimenti).

La Southeastern Universities Research Association ha istituito il JSA Thesis Prize nel 1999. Ora è uno dei tanti progetti supportati dal JSA Initiatives Fund Program, che è stato istituito da Jefferson Science Associates per supportare programmi, iniziative e attività che favoriscono la divulgazione scientifica, e promuovere la scienza, missioni educative e tecnologiche di Jefferson Lab in modi che completano il suo focus di ricerca di base e applicata.

"I dottorandi sono la forza trainante di qualsiasi impresa di ricerca, quindi la Jefferson Lab User Organization è orgogliosa di distribuire il prezzo della tesi anche quest'anno. Ringraziamo JSA per aver fornito supporto per questo premio, " ha detto Julie Roche, la cattedra JLUO 2018-2019 e professore alla Ohio University. "Come di solito, le tesi presentate erano di altissima qualità e hanno reso la scelta di un vincitore una vera sfida. Voglio ringraziare il comitato di selezione guidato dal professor Kent Paschke dell'Università della Virginia per l'attento esame delle proposte. Alla fine, siamo lieti di riconoscere il lavoro di Kurtis."

Bartlett è attualmente un ricercatore associato post-dottorato per lo Space Science and Application Group presso il Los Alamos National Laboratory del DOE, dove sviluppa rivelatori di astronavi che misurano le radiazioni per aiutare a determinare la composizione dei corpi planetari.

"Anche se sto sviluppando hardware ora, Sto ancora usando il set di abilità sviluppato nella mia ricerca di tesi, " ha detto Barletta.