Ett nytt resultat från Q-weak-experimentet vid Department of Energys Thomas Jefferson National Accelerator Facility ger ett precisionstest av den svaga kraften, en av fyra grundläggande krafter i naturen. Detta resultat, publicerades nyligen i Natur , begränsar också möjligheter för nya partiklar och krafter bortom vår nuvarande kunskap.

"Precisionsmätningar som denna kan fungera som fönster in i en värld av potentiella nya partiklar som annars bara skulle kunna observeras med extremt högenergiacceleratorer som för närvarande ligger utanför räckhåll för vår tekniska förmåga, sa Roger Carlini, en Jefferson Lab-forskare och en medtalesman för Q-weak Collaboration.

Även om den svaga kraften är svår att observera direkt, dess inflytande kan märkas i vår vardagliga värld. Till exempel, den initierar kedjan av reaktioner som driver solen och den tillhandahåller en mekanism för radioaktiva sönderfall som delvis värmer jordens kärna och som också gör det möjligt för läkare att upptäcka sjukdomar inuti kroppen utan kirurgi.

Nu, Q-weak Collaboration har avslöjat en av den svaga kraftens hemligheter:den exakta styrkan i dess grepp om protonen. De gjorde detta genom att mäta protonens svaga laddning med hög precision, som de undersökte med hjälp av de högkvalitativa strålarna som finns tillgängliga i Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science User Facility.

Protonens svaga laddning är analog med dess mer välkända elektriska laddning, ett mått på den påverkan protonen upplever från den elektromagnetiska kraften. Dessa två interaktioner är nära besläktade i standardmodellen, en mycket framgångsrik teori som beskriver de elektromagnetiska och svaga krafterna som två olika aspekter av en enda kraft som interagerar med subatomära partiklar.

För att mäta protonens svaga laddning, en intensiv stråle av elektroner riktades mot ett mål som innehöll kallt flytande väte, och elektronerna spridda från detta mål detekterades i en exakt, specialbyggda mätapparater. Nyckeln till Q-svaga experimentet är att elektronerna i strålen var mycket polariserade - förberedda före acceleration för att mestadels "snurra" i en riktning, parallellt eller antiparallellt med strålriktningen. Med polarisationsriktningen snabbt omvänd på ett kontrollerat sätt, försöksledarna kunde fästa sig vid den svaga interaktionens unika egenskap av paritetsbrott (liknande spegelsymmetri), för att isolera dess små effekter med hög precision:en annan spridningshastighet med cirka 2 delar på 10 miljoner mättes för de två strålpolarisationstillstånden.

Protonens svaga laddning visade sig vara QWp=0,0719±0,0045, vilket visar sig vara i utmärkt överensstämmelse med standardmodellens förutsägelser, som tar hänsyn till alla kända subatomära partiklar och de krafter som verkar på dem. Eftersom protonens svaga laddning är så exakt förutspådd i denna modell, det nya Q-svaga resultatet ger insikt i förutsägelser om hittills oobserverade tunga partiklar, som de som kan produceras av Large Hadron Collider (LHC) vid CERN i Europa eller framtida högenergipartikelacceleratorer.

"Detta mycket utmanande experimentella resultat är ännu en ledtråd i det världsomspännande sökandet efter ny fysik bortom vår nuvarande förståelse. Det finns gott om bevis för att standardmodellen för partikelfysik endast ger en ofullständig beskrivning av naturens fenomen, men var genombrottet kommer förblir svårfångat, sade Timothy J. Hallman, Biträdande direktör för kärnfysik vid Department of Energy Office of Science. "Experiment som Q-weak pressar sig allt närmare att hitta svaret."

Till exempel, det Q-svaga resultatet har satt gränser för den möjliga förekomsten av leptoquarks, som är hypotetiska partiklar som kan vända på identiteten hos två breda klasser av mycket olika fundamentala partiklar - att förvandla kvarkar (byggstenarna i kärnämne) till leptoner (elektroner och deras tyngre motsvarigheter) och vice versa.

"Efter mer än ett decennium av noggrant arbete, Q-weak informerade inte bara standardmodellen, den visade att extrem precision kan göra det möjligt för experiment med måttlig energi att uppnå resultat i nivå med de största acceleratorer som finns tillgängliga för vetenskapen, sa Anne Kinney, Biträdande direktör för direktoratet för matematiska och fysikaliska vetenskaper vid National Science Foundation. "Sådan precision kommer att vara viktig i jakten på fysik bortom standardmodellen, där nya partikeleffekter sannolikt skulle framstå som extremt små avvikelser."

"Det är kompletterande information. Så, om de hittar bevis för ny fysik i framtiden vid LHC, vi kan hjälpa till att identifiera vad det kan vara, från de gränser som vi redan sätter i denna tidning, " sa Greg Smith, Jefferson Lab-forskare och Q-weak projektledare.