Слабый заряд протона подтверждает Стандартную модель

Ученым впервые удалось определить силу слабого взаимодействия протона. Это измерение крайне важно для понимания устройства Вселенной.

Ученые из Лаборатории Джефферсона Министерства энергетики США в ходе эксперимента Q-weak смогли измерить слабый заряд протона. Кроме того, в ближайшем номере Physical Review Letters будут опубликованы данные по слабому заряду нейтрона, а также нижнего (D-кварк) и верхнего (U-кварк) кварков. Эта информация была получена путем объединения новых данных с опубликованными данными других экспериментов. В настоящее время данные Лаборатории Джефферсона являются наиболее точными, хотя для их получения проанализировали лишь 4% от общего объема данных, полученных в эксперименте Q-weak. Анализ оставшихся данных займет приблизительно год.

Слабая сила является одним из четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной вместе с гравитацией, электромагнитным и сильным взаимодействиями. Хотя слабое взаимодействие действует только на субатомном уровне, его результаты мы видим повсюду в окружающем нас повседневном мире. Слабая сила играет ключевую роль в процессах ядерных реакций внутри звезд и влияет на большую часть природного излучения в нашей Вселенной.

Текущие результаты эксперимента Q-weak позволили достичь точности измерения силы слабого взаимодействия на уровне 47 частей на миллиард. Но анализ данных продолжается, и в течение года точность вырастет в несколько раз

Эксперимент Q-weak был разработан международной группой физиков-ядерщиков, которые собрались в Лаборатории Джефферсона вместе более десяти лет назад для создания новой методики измерения силы слабого взаимодействия. Впервые ученые попытались провести прямое измерение слабого заряда протона, то есть измерить, с какой силой слабое взаимодействие «тянет» протон. Так как слабый заряд протона точно предсказывается Стандартной моделью, эксперимент Q-weak является также хорошим способом проверить теоретические основы Стандартной модели, которая описывает элементарные частицы и их взаимодействия.

Для проведения эксперимента Q-weak, ученые направили чрезвычайно интенсивный пучок электронов в емкость с жидким водородом. При этом электроны были продольно поляризованы: их спин был направлен по направлению или против движения. Электроны ударялись о протоны по касательной и отклонялись мощными электромагнитами на восемь симметрично расположенных детекторов.

Слабое взаимодействие намного слабее, чем электромагнитное. Можно считать, что на каждый миллион электронов, которые взаимодействуют с протонами с помощью электромагнитной силы, только один электрон будет взаимодействовать через слабую силу. Однако слабое взаимодействие нарушает пространственную симметрию электронов. Благодаря тому, что электроны с правым спином взаимодействуют иначе, чем с левым, ученые могут при сохранении всех других параметров эксперимента использовать разницу между двумя направлениями поляризации для изоляции явления слабого взаимодействия. В ходе эксперимента исследователи попытаются измерить разницу с точностью около 200 частей на миллиард. Эта точность эквивалентна измерению толщины листа бумаги уложенной поверх Эйфелевой башни.

Первоначальный анализ результатов эксперимента Q-weak хорошо согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Тем не менее, ученые продолжат работу и используют примерно в 25 раз больше данных для окончательной проверки и уточнения результатов измерения слабого взаимодействия. Окончательный результат позволит получить экспериментальное подтверждение правильности Стандартной модели.