Впервые определен слабый заряд протона

Физики выполнили первое экспериментальное определение слабого заряда протона в исследовании, проведенном в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона (Jefferson Lab).

Результаты также включают определения слабого заряда нейтрона, а также верхнего (up) и нижнего (down) кварков. Эти определения были сделаны путем объединения новых данных с опубликованными данными из других экспериментов. Хотя эти предварительные цифры являются наиболее точными на сегодняшний день, они были получены из анализа всего 4% от общего объема данных проведенных экспериментов. Как ожидается, полный анализ данных потребует еще один год.

Слабое взаимодействие является одним из четырех фундаментальных в нашей Вселенной, наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным. Хотя слабые силы действует только на субатомном уровне, мы видим их результаты в нашем повседневном мире. Слабые силы играют ключевую роль в процессах ядерных реакций, происходящих в звездах, и отвечают за большую часть присутствующей естественной радиации в нашей Вселенной.

Эксперимент Q-weak был разработан международной группой физиков-ядерщиков, которые собрались вместе более десяти лет назад, чтобы провести новый эксперимент в Jefferson Lab. Они предложили первое в мире прямое измерение слабого заряда протона, обозначаемого символом Q^PW, меры того, насколько сильно протон взаимодействует посредством слабых сил. Поскольку слабый заряд протона точно предсказан Стандартной моделью, которая является хорошо проверенной теоретической концепцией, описывающей элементарные частицы и детали того, как они взаимодействуют, он является идеальным параметром для экспериментальной проверки Стандартной модели.

Для проведения эксперимента ученые направили очень интенсивный пучок электронов на контейнер с жидким водородом. Электроны были продольно поляризованы (спин направлен по или против их направления движения). Электроны, которые испытали только скользящее соударение с протонами (упругое рассеяние, где протоны остались нетронутыми), рассеивались под малыми углами и отклонялись мощными электромагнитами на восемь симметрично расположенных детекторов.

Слабое взаимодействие гораздо слабее, чем электромагнитное. Физики измеряют слабые взаимодействия, используя важное различие между ними – слабое взаимодействие нарушает симметрию, известную как четность (обращение направлений всех трех осей координат на обратные). В мире противоположной четности электроны со спином, направленным по/против движения, будут взаимодействовать с протонами посредством электромагнитной силы без изменения. Что касается слабых сил, то электроны с правосторонним спином взаимодействуют иначе, чем с левосторонним. Поддерживая все другие параметры эксперимента без изменений и только изменяя направления поляризации пучка электронов, ученые могут использовать разницу во взаимодействии, или «асимметрию», чтобы изолировать эффект слабого взаимодействия. Цель состоит в том, чтобы измерить эту разницу как можно более точно. Эта точность эквивалентна измерению толщины листа бумаги, лежащего на вершине Эйфелевой башни.

Предварительный анализ экспериментальных данных Q-weak дал значение для Q^PW, находящееся в хорошем согласии с предсказанием Стандартной модели. Однако группа имеет в 25 раз больше данных, чем было использовано для предварительного анализа. Окончательный результат должен обеспечить строгую экспериментальную проверку Стандартной модели, определяя ограничения для новой физики на шкале энергий, используемых на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

«Читатели должны рассматривать этот результат, прежде всего, в качестве первого определения слабого заряда протона. Наша конечная публикация будет сосредоточена на следствиях в отношении потенциала новой физики», - сказал Роджер Карлини (Roger Carlini), научный сотрудник Jefferson Lab и представитель группы Q-weak Collaboration.

Эксперимент Q-weak первоначально был утвержден в январе 2002 г. Почти годичная установка экспериментального оборудования началась в 2009 г., за которой последовал двухлетний период сбора данных в течение 2010—2012 гг.

Этот эксперимент стал возможным благодаря многочисленным техническим достижениям в последнее десятилетие. К ним относятся сильноточный, высокой поляризации, чрезвычайно стабильный электронный пучок, обеспеченный ускорителем непрерывного электронного пучка Jefferson Lab; самая мощная в мире криогенная водородная установка; высокоустойчивые к радиации черенковские детекторы; электроника со сверхнизкими шумами, позволившая считать сигналы и точно измерить ток пучка, а также система, которая измеряет поляризацию луча с точностью выше 1%. Эти технические достижения дали удивительно малую полную неопределенность - только 47 миллиардных для данных, опубликованных до сих пор.

Эксперимент Q-weak в Jefferson Lab измерил слабый заряд протона