Un nouveau résultat de l'expérience Q-weak au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie fournit un test de précision de la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Ce résultat, publié récemment dans La nature , limite également les possibilités de nouvelles particules et forces au-delà de nos connaissances actuelles.

"Des mesures de précision comme celle-ci peuvent servir de fenêtres sur un monde de nouvelles particules potentielles qui, autrement, ne pourraient être observables qu'à l'aide d'accélérateurs à très haute énergie qui sont actuellement hors de portée de nos capacités techniques, " dit Roger Carlini, un scientifique du Jefferson Lab et un co-porte-parole de la collaboration Q-weak.

Alors que la force faible est difficile à observer directement, son influence peut être ressentie dans notre monde quotidien. Par exemple, il initie la chaîne de réactions qui alimente le soleil et il fournit un mécanisme de désintégration radioactive qui chauffe partiellement le noyau de la Terre et qui permet également aux médecins de détecter les maladies à l'intérieur du corps sans chirurgie.

Maintenant, la collaboration Q-weak a révélé l'un des secrets de la force faible :la force précise de son emprise sur le proton. Ils l'ont fait en mesurant la faible charge du proton avec une grande précision, qu'ils ont sondé à l'aide des faisceaux de haute qualité disponibles à l'installation d'accélérateur de faisceaux d'électrons continus, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

La charge faible du proton est analogue à sa charge électrique plus familière, une mesure de l'influence que le proton subit de la force électromagnétique. Ces deux interactions sont étroitement liées dans le modèle standard, une théorie très réussie qui décrit les forces électromagnétiques et faibles comme deux aspects différents d'une force unique qui interagit avec les particules subatomiques.

Pour mesurer la charge faible du proton, un intense faisceau d'électrons a été dirigé sur une cible contenant de l'hydrogène liquide froid, et les électrons diffusés à partir de cette cible ont été détectés de manière précise, appareils de mesure sur mesure. La clé de l'expérience Q-faible est que les électrons dans le faisceau étaient fortement polarisés - préparés avant l'accélération pour être principalement "tournés" dans une direction, parallèle ou antiparallèle à la direction du faisceau. Le sens de polarisation étant rapidement inversé de manière contrôlée, les expérimentateurs ont pu s'accrocher à la propriété unique de l'interaction faible de violation de la parité (semblable à la symétrie miroir), afin d'isoler ses effets minuscules avec une grande précision :un taux de diffusion différent d'environ 2 parties sur 10 millions a été mesuré pour les deux états de polarisation du faisceau.

La faible charge du proton s'est avérée être QWp =0,0719 ± 0,0045, ce qui s'avère en excellent accord avec les prédictions du modèle standard, qui prend en compte toutes les particules subatomiques connues et les forces qui agissent sur elles. Parce que la faible charge du proton est si précisément prédite dans ce modèle, le nouveau résultat Q-weak donne un aperçu des prédictions de particules lourdes jusqu'alors inobservées, tels que ceux qui pourraient être produits par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en Europe ou les futurs accélérateurs de particules à haute énergie.

"Ce résultat expérimental très difficile est encore un autre indice dans la recherche mondiale d'une nouvelle physique au-delà de notre compréhension actuelle. Il existe de nombreuses preuves que le modèle standard de la physique des particules ne fournit qu'une description incomplète des phénomènes de la nature, mais où la percée viendra reste insaisissable, " a déclaré Timothy J. Hallman, Directeur associé pour la physique nucléaire du Département de l'énergie Office of Science. "Des expériences comme Q-weak sont de plus en plus proches de trouver la réponse."

Par exemple, le résultat Q-faible a fixé des limites à l'existence possible de leptoquarks, qui sont des particules hypothétiques qui peuvent inverser l'identité de deux grandes classes de particules fondamentales très différentes - en transformant les quarks (les éléments constitutifs de la matière nucléaire) en leptons (les électrons et leurs homologues plus lourds) et vice versa.

"Après plus d'une décennie de travail minutieux, Q-weak a non seulement informé le modèle standard, il a montré qu'une extrême précision peut permettre à des expériences à énergie modérée d'obtenir des résultats comparables à ceux des plus grands accélérateurs disponibles pour la science, " a déclaré Anne Kinney, Directeur adjoint de la Direction des sciences mathématiques et physiques à la National Science Foundation. "Une telle précision sera importante dans la chasse à la physique au-delà du modèle standard, où de nouveaux effets de particules apparaîtraient probablement comme des écarts extrêmement minimes. »

"C'est une information complémentaire. Alors, s'ils trouvent des preuves d'une nouvelle physique à l'avenir au LHC, nous pouvons aider à identifier ce que cela pourrait être, des limites que nous fixons déjà dans cet article, " a déclaré Greg Smith, Scientifique du Jefferson Lab et chef de projet Q-weak.