Физики измерили одну из 4 фундаментальных сил природы. И расстроились

1. Физики Национального ускорительного центра Джефферсона в Вирджинии (США) сделали самые точные измерения того, как слабое взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы — влияет на протон. При этом они не обнаружили отклонений от Стандартной модели — современной теории, описывающей, как взаимодействуют все известные фундаментальные частицы.

2. Типичный пример слабого взаимодействия — превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Также слабое взаимодействие отвечает за радиоактивный распад, включая ядерные реакции, свечение Солнца и работу атомных электростанций. Сила слабого взаимодействия зависит от так называемого слабого заряда частицы, так же как электромагнитная сила зависит от электрического заряда, а гравитация — от массы.

3. В рамках эксперимента Q-weak, рассчитанного на несколько лет, с участием более 100 ученых из более чем 20 учреждений, ученые впервые занялись измерением слабого заряда протона. «Мы просто надеялись, что это один из способов найти трещину в Стандартной модели», — рассказал Грег Смит, физик из Национального Ускорительного центра Джефферсона в Вирджинии и руководитель проекта Q-weak. — «Я был разочарован», — сказал он Live Science. — «Я надеялся на какое-то отклонение [от Стандартной модели], какой-то сигнал. Но другие люди были рады, что мы подтвердили то, что предсказывала Стандартная модель.»

4. Исследователи взорвали пучки электронов в резервуаре с протонами. Вращения электронов были либо параллельны, либо антипараллельны пучку. При столкновении с протонами электроны рассеивались, в основном из-за взаимодействий с электромагнитной силой. Но на каждые 10 или 100 тысяч рассеиваний одно происходило через слабое взаимодействие.

5. В отличие от электромагнитной силы, слабое взаимодействие не подчиняется зеркальной симметрии. Таким образом, при взаимодействии через электромагнитную силу электрон рассеивается одинаково независимо от направления вращения. Но при взаимодействии через слабое взаимодействие вероятность того, что электрон рассеется, зависит очень незначительно от того, является ли спин параллельным или антипараллельным относительно направления движения электрона.

6. В эксперименте пучки с электронами с параллельными и антипараллельными спинами сменяли друг друга примерно тысячу раз в секунду. Исследователи обнаружили, что разница в вероятности рассеяния составляла всего 226,5 частей на миллиард, с точностью 9,3 части на миллиард. Это эквивалентно тому, что два идентичных в остальном Эвереста отличаются по высоте на толщину одной монеты с точностью до ширины человеческого волоса.

7. «Это самая маленькая и точная асимметрия из когда-либо измеренных в рассеянии поляризованных электронов», — сказал Питер Блунден, физик из Университета Манитобы в Канаде, который не участвовал в исследовании. Это измерение, добавил он, является впечатляющим достижением. Кроме того, оно показывает, что в поисках новой физики эти относительно низкоэнергетические эксперименты могут конкурировать с мощными ускорителями частиц, такими как Большой адронный коллайдер под Женевой.

Источник: Live Science