Слабая сторона протона
Хотя протоны известны своим положительным электрическим зарядом, частицы также имеют аналогичный, менее известный заряд, называемый слабым зарядом. Теперь физики сделали наиболее точное измерение этого атрибута протона, сообщая об эксперименте 10 мая в издании Nature.
Слабый заряд диктует, как протон реагирует на слабые ядерные силы. Наиболее известная своей ролью в некоторых типах радиоактивного распада, слабая сила названа так по сравнению с другими силами, например, такими как электромагнетизм.
В эксперименте, расположенном на Национальном ускорителе Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния, ученые разбросали пучки электронов с протонов в жидком водороде. Пучки были в двух разных конфигурациях, в зависимости от квантового свойства электронов, называемых спинами.
В одной установке электроны вели себя как бы вращаясь по часовой стрелке; в другом — против часовой стрелки. Наблюдая различие между взаимодействием протонов с электронами двух спиновых ориентаций, команда вычисляет слабый заряд протона.
Результирующий заряд составляет приблизительно 0,0719, безразмерное число, которое согласуется с предсказаниями стандартной модели физики частиц, теории, описывающей взаимодействие частиц. Это соглашение частично исключает существование некоторых новых типов частиц, что является одной из причин, по которым ученые были так заинтересованы в лучшем понимании слабой стороны протона.
Резюме.
Крупные экспериментальные программы в области физики ядер и частиц ищут доказательства физики за пределами, объясняемые современными теориями. Наблюдение бозона Хиггса завершило набор частиц, предсказанных стандартной моделью, которая в настоящее время обеспечивает лучшее описание основных частиц и сил.
Однако ограничения этой теории включают в себя неспособность предсказать фундаментальные параметры, такие как масса бозона Хиггса, и неспособность учитывать темную материю и энергию, гравитацию и асимметрию материи-антиматерии во Вселенной, среди других явлений. Эти ограничения вдохновили поиски физики за пределами стандартной модели в эпоху после Хиггса путем прямого производства дополнительных частиц на ускорителях высоких энергий, которые до сих пор не увенчались успехом.
Примеры включают поиск суперсимметричных частиц, которые связывают бозоны (частицы с целым спином) с фермионами (частицы с полуцелым спином) и лептокварки, которые смешивают фундаментальные кварки с лептонами. Альтернативно, косвенные поиски с использованием точных измерений хорошо прогнозируемых наблюдаемых стандартных моделей позволяют проводить целенаправленные альтернативные тесты для физики за пределами стандартной модели, поскольку они могут достигать массового и энергетического масштабов, выходящего за пределы, которые непосредственно доступны для современных ускорителей высоких энергий.
Такой косвенный поиск направлен на определение слабого заряда протона, который определяет силу взаимодействия протона с другими частицами через хорошо известную нейтральную электрослабую силу. Поскольку симметрия четности (инвариантность при пространственной инверсии (x, y, z) → (-x, -y, -z)) нарушается только при слабом взаимодействии, она обеспечивает инструмент, позволяющий изолировать слабое взаимодействие и, следовательно, измерить слабый заряд протона.
Здесь мы сообщим о значении 0.0719 ± 0.0045, где неопределенность представляет собой одно стандартное отклонение, полученное из нашей измеренной асимметрии асимметрии четности при рассеянии поляризованных электронов на протонах, которая составляет -226,5 ± 9,3 частей на миллиард (неопределенность представляет собой одно стандартное отклонение ). Наша ценность для слабого заряда протона находится в отличном согласии со стандартной моделью и устанавливает ограничения на множество тероэлектронвольтных шкал на любую полулептонную физику, нарушающую четность, не описанную в стандартной модели.
Наши результаты показывают, что прецизионные измерения, нарушающие четность, позволяют искать физику за пределами стандартной модели, которая может конкурировать с прямым поиском на ускорителях высоких энергий и вместе с астрономическими наблюдениями может обеспечить плодотворные подходы к зондированию более высоких массовых масштабов.
The Jefferson Lab Q-weak Collaboration. Precision measurement of the weak charge of the proton. Nature. Vol. 557, May 10, 2018, p. 207. doi:10.1038/s41586-018-0096-0.