University of Virginia fysiker har nyligen spelat nyckelroller i nya partikelfysiska upptäckter. Forskarna är involverade i stora internationella samarbeten med hjälp av stora anläggningar utformade för att utöka vår kunskap om de mest intima detaljerna om hur de minsta kända bitarna av atomer kan ha fött universum.

Forskningsprojekten leds vid UVA av fysikern Craig Dukes, arbetar med det amerikanska energidepartementets Fermi National Laboratory i Illinois; Chris Neu, som arbetar med Large Hadron Collider i Europa; och Kent Paschke, som arbetar med DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility, eller Jefferson Lab, i Newport News.

hertigar, Neu och deras team är en del av UVAs högenergifysiklaboratorium, som är tillägnad att svara på grundläggande frågor som involverar allting. Arbetet är "högenergi" eftersom det kräver enorma elektroniska enheter för att skapa kontrollerade kollisioner mellan protoner, utformade för att bryta isär dem och exponera deras ingående partiklar, eller att resa långa sträckor och genomgå förändringar allt eftersom. Paschke, som också är på UVA:s fysikavdelning, fokuserar på projekt med Jefferson Lab.

Alla experiment kräver kraftfulla, stordatadatorer och beräkningstekniker för att hjälpa forskare skaffa sig en förståelse i extrem detalj gjord av miljarder partikelinteraktioner.

Higgs och Quarks

För första gången, forskare har mätt den direkta interaktionen mellan Higgs-bosonen (ibland kallad "Gudspartikeln") med en annan typ av tung partikel som kallas "toppkvarkar". Higgs boson, som teoretiserades på 1960-talet och skapar ett fält genom vilket all annan materia existerar, bekräftades 2012 av experiment vid Large Hadron Collider nära Genève, Schweiz. UVA-forskare spelade nyckelroller i den upptäckten.

Denna koppling mellan Higgs och toppkvarkar är viktig eftersom, i teorin, partiklar får sin massa genom att interagera med Higgsfältet, och massa behövs för att saker ska existera. Detta är en grundläggande del av standardmodellen för fysik, som försöker förklara hur elementarpartiklar – de partiklar som utgör själva universum – fungerar. Det har länge varit vettigt för fysiker att Higgspartiklar och toppkvarkar skulle interagera, men det behövde bevisas.

Genom en lång rad experiment vid Large Hadron Collider, forskare har bevisat att de verkligen gör det. Neu, en mångårig UVA-professor i fysik, och hans team spelade en stor roll i upptäckten, publicerades nyligen i den framstående tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Forskare behövde exakta teoretiska förutsägelser för egenskaperna hos bakgrundsprocesser såväl som utvecklingen av kraftfulla dataanalysmetoder som använder maskininlärning för att lära en dator att skilja signalhändelser från bakgrunden, "Neu sade. "UVA-studenter och postdoktorer har arbetat med båda dessa viktiga aspekter av analysen under de senaste sju åren."

Neu noterade att fyndet är ett viktigt steg för att främja förståelsen av Higgs-bosonen och dess roll i interaktioner mellan andra partiklar, men noterade att det fortfarande finns gott om utrymme för upptäckt av för närvarande okända fenomen.

"Under de kommande åren, mycket mer data kommer att samlas in och precisionen kommer att förbättras, för att se om Higgs avslöjar närvaron av fysik bortom standardmodellen, " sade han. "Detta är spännande eftersom vi vet att standardmodellen är en ofullständig teori; om vi någonsin ska förstå, till exempel, mörk materias natur, det kan komma från att hitta en diskrepans i vad vi observerar om Higgs jämfört med den allmänt accepterade förutsägelsen om vad som kan hända."

Förstå Neutrinos

I mer än tre år, Forskare har observerat partiklar som kallas neutriner när de svänger från en typ till en annan över ett avstånd av 500 miles. I ett enormt projekt på 300 miljoner dollar på Fermilab kallat NOvA, Syftet är att upptäcka mer om neutriner – spöklika och rikliga partiklar som färdas genom materia, mestadels utan att lämna spår.

Det är viktigt eftersom universum, i sitt nuvarande tillstånd, är ett resultat av partikelinteraktioner som inträffade under de första sekunderna efter Big Bang för nästan 14 miljarder år sedan.

Experimentets långsiktiga mål är att leta efter likheter och skillnader i hur neutriner och antineutriner förändras från en typ – i det här fallet, muon – till en av de andra två typerna, elektron eller tau. Att exakt mäta denna förändring i både neutriner och antineutriner, och sedan jämföra dem, kommer att hjälpa forskare att låsa upp de hemligheter som dessa partiklar har om hur universum fortsätter att fungera på sin minsta nivå – nivån som utgör de stora sakerna:galaxer, stjärnor, planeter, öl.

Nu, forskare, inklusive en grupp ledd av UVA-fysikprofessor Craig Dukes, har sett starka bevis på att myon-antineutriner oscillerar till elektron-antineutriner, ett fenomen som aldrig entydigt hade observerats.

NOvA använder två stora partikeldetektorer – en mindre vid Fermilab i Illinois och en mycket större 500 miles away i norra Minnesota – för att studera en stråle av partiklar som genereras av Fermilabs acceleratorkomplex och skickas direkt genom jorden, ingen tunnel krävs (neutriner färdas i huvudsak obehindrat genom materia).

Nyckeln till NOvAs vetenskapsprogram är att jämföra hastigheten med vilken elektronneutriner uppträder i den bortre detektorn med hastigheten som elektronantineutriner uppträder. En exakt mätning av dessa skillnader kommer att göra det möjligt för NOvA att uppnå ett av sina huvudsakliga vetenskapsmål:att bestämma vilken av de tre typerna av neutriner som är tyngst och vilken lättast, allt en del av strävan att pussla ut hur och varför tillvaron.

Några av detektorinstrumenten på Fermilab designades och byggdes på UVAs högenergifysiklab.

Protonens svaga sida

Ett nytt resultat från ett stort experiment vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility ger ett precisionstest av den "svaga kraften, " som, medan det låter svagt, är en av fyra grundläggande krafter i naturen. Fyndet, publiceras i tidskriften Natur , ger ett fönster till potentiella nya partiklar som kan utforskas ytterligare vid Large Hadron Collider.

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

Nu, forskarna, inklusive Paschke och hans UVA-samarbetspartner, fysiker Gordon Cates, 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 högkvalitativa strålar tillgängliga på Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator 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, 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 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 två delar på 10 miljoner uppmättes för de två strålpolarisationstillstånden.

Protonens svaga laddning visade sig vara i utmärkt överensstämmelse med förutsägelser av standardmodellen, 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, resultatet ger insikt i förutsägelser av hittills oobserverade tunga partiklar, som de som kan produceras av Large Hadron Collider eller framtida högenergipartikelacceleratorer.