David Armstrong studerar ett fenomen som är allmänt förekommande i naturen, ändå vet bara ett fåtal icke-vetenskapsmän vad det är.

Det kallas den svaga kraften, eller det svaga samspelet. Armstrong utsågs nyligen till en 2018 Fellow i American Physical Society. Hans citat lyder att äran är baserad på "hans ledarroll i ett karriärlångt forskningsprogram som fokuserar på att karakterisera och förstå rollen av den svaga kraften och paritetskränkande fenomen i kärnfysik."

"Detta är en betydande professionell ära. Antalet stipendiater som väljs varje år är begränsat till högst hälften av en procent av APS-medlemmarna, sade Christopher D. Carone, ordförande för William &Mary Institutionen för fysik.

"För närvarande, ungefär 30 procent av den vanliga fysikfakulteten vid William &Mary är APS Fellows. Jag ser fram emot att se den här andelen växa avsevärt under kommande år!" tillade Carone.

Armstrong kom till William &Mary 1994. Nu, som kansler professor i fysik, delar sin tid mellan Small Hall och Jefferson Lab, där han samarbetar med ett antal partikelfysikexperiment, de flesta involverar den svaga kraften. När Armstrong pratar om sitt arbete för människor som inte kan fysik, han börjar med att förklara att den svaga kraften är en av de fyra grundläggande interaktionerna som håller universum igång.

"Två av dem är bekanta för de flesta av oss, " Sade Armstrong. "Gravitation:det håller planeterna i omloppsbana runt solen och håller oss fästa vid jorden. Elektricitet och magnetism:Vi har lärt oss sedan Maxwell att de är två aspekter av samma kraft. Vi är bekanta med dem, och elektromagnetism är det som är ansvarigt för att elektronerna stannar i omloppsbana runt kärnan. I grund och botten, all kemi härrör från elektricitet och magnetism."

Mindre bekant för lekmännen, han sa, är de två kärnkrafterna. Den starka kraften håller ihop protonerna och neutronerna (och deras ingående kvarkar) i kärnan. Den sista, och minst bekant, av de grundläggande interaktionerna är den svaga kraften, ansvarig för vissa typer av radioaktivt sönderfall.

"Till skillnad från de andra interaktionerna, Jag kan inte ge dig ett exempel på något som hålls samman av den svaga kraften, ", sa Armstrong. "Men den svaga kraften är otroligt viktig, för livet skulle inte existera utan det."

Han påpekade att fusionsprocessen i solen, varvid väteatomer glomar på varandra för att bli helium, är ett exempel på den svaga kraften i aktion. Ett kritiskt steg i den reaktionskedjan sker genom den svaga kraften, så i själva verket driver den svaga kraften solens kärnugn.

"Om den svaga interaktionen var betydligt starkare än den är, då skulle solen ha brunnit ut för flera år sedan, " sa han. "Om den svaga interaktionen var svagare, då hade solen inte tänds."

"Vissa typer av radioaktivt sönderfall, som ofta är användbara i saker som medicinsk bildbehandling, ske genom den svaga interaktionen, " han förklarade.

Hans tidiga forskning involverade en partikel som kallas muon, som han kallade "elektronen är kortlivad, tyngre syster." ("Jag vet inte varför, men myonen verkar kvinnlig för mig, " han sa.)

Myonen är 200 gånger mer massiv än elektronen, men kan göra allt som en elektron gör. Till exempel, Armstrong sa att fysiker kan skapa en atom där myoner ersätter elektroner. Denna förmåga att byta roller härrör från en egenskap som är unik för den svaga interaktionen.

"Det tillåter partiklar att omvandla - för att ändra sin natur, " Sade Armstrong. "Myonen kommer att sönderfalla genom den svaga interaktionen till andra partiklar. Myonen sönderfaller vanligtvis till en elektron och ett par neutriner."

Myonens svaga kraftdrivna superkraft av transmogrifiering gör att den kan interagera med kärnan, också, omvandla protoner till neutroner, med några neutriner som förändring.

"Så mycket av min forskning baserades från början på att förstå de svaga interaktionerna mellan protoner och neutroner i kärnor, " han sa.

Strax efter att han kom till JLab och William &Mary, 25 år sedan, han insåg att det fanns en möjlighet att använda sin undersökning av myonernas svaga kraft och tillämpa den på den svaga kraften hos myonens mer slanka syskon, elektronen.

Armstrong är en del av Qweak Collaboration, en samling forskare som registrerade den första direkta mätningen någonsin av protonens svaga laddning vid Department of Energys JLab-anläggning. I sitt senaste arbete, Armstrong använder en annan egenskap som är unik för den svaga kraften i sina experiment.

"Det bryter mot en symmetri av naturen som kallas paritet, " förklarade han. "Symmetrier är extremt viktiga i fysiken; de berättar för oss att något grundläggande pågår."

Paritet existerar när en "spegelbild" av ett system (en där alla plus och minus ändras) är identisk med det ursprungliga systemet. Paritet är en egenskap hos gravitationen, elektromagnetism, den starka kraften – och under en lång stund, paritet ansågs vara en universell egenskap hos universum.

"På 1950-talet vi upptäckte att det inte var fallet, enbart på grund av den svaga interaktionen, " sa Armstrong. Om din reflektion i en spegel avslöjade, säga, ett extra finger, det vore ganska konstigt, speciellt när du tittar ner på din hand och inte ser några nya siffror. Det är en analog av paritetsöverträdelse, men inte en komplett sådan:Till skillnad från en extra pinkie i spegeln, paritetsbrott i den svaga kraften är helt naturligt.

Och, för forskare, den svaga kraftens udda-en-ut paritetsstatus ger Armstrong och andra fysiker en ingång till jakten på ny fysik, utöver standardmodellen. Denna strävan inbegriper undersökning av den svaga kraften och andra områden bortom vardagsuppfattningen, som gravitationsvågor, neutrinos och kvarkar.

Förutom Q-Weak-experimentet vid JLab, Armstrong studerar också kvarkarna som utgör protoner och neutroner. Det finns sex kvarkar, elementarpartiklar inom standardmodellen som bär en uppsättning ovanliga namn:topp, botten, upp, ner, konstigt och charm.

"Jag kan identifiera de olika typerna av kvarkar genom deras svaga interaktioner, " sa han. Upp och ner kvarkar är materiens elementära byggstenar, när de sätts ihop till protoner och neutroner, och Armstrong och hans medarbetare kunde använda den svaga kraften för att lära sig om den märkliga kvarkens bidrag till protonens storlek och magnetiska moment.

Han är involverad i ett kommande JLab-experiment som använder paritetsöverträdelse för att undersöka en mycket tung kärna:bly.

"Bly har fler neutroner än protoner, " sade Armstrong. "Därför, man kan förvänta sig att fördelningen av neutroner i en blykärna skulle få dem att "sticka ut" – vilket gör ett neutronskinn på utsidan av kärnan.

"Det visar sig att den svaga interaktionen är ett bra sätt att leta efter det, " tillade han. "Eftersom neutronerna interagerar annorlunda än protonerna."

Neutronhuden, han sa, förblir teoretiskt. Men han hoppas att hans experiment kommer att vara det första att bekräfta det observationsmässigt. Det skulle vara en viktig observation med kosmologiska implikationer.

"Det berättar inte bara om kärnor, men det ansluter också till saker av intresse för astronomer och astrofysiker, ", förklarade Armstrong. "Eftersom en neutronstjärna inte är något annat än universums största kärna - och en som domineras av neutroner."