Des physiciens de l'Université de Virginie ont récemment joué un rôle clé dans de nouvelles découvertes en physique des particules. Les scientifiques sont impliqués dans de grandes collaborations internationales en utilisant des installations majeures conçues pour élargir notre connaissance des détails les plus intimes de la façon dont les plus petits morceaux d'atomes connus ont pu donner naissance à l'univers.

Les projets de recherche sont dirigés à l'UVA par le physicien Craig Dukes, travailler avec le laboratoire national Fermi du département de l'Énergie des États-Unis dans l'Illinois ; Chris Neu, qui travaille avec le Grand collisionneur de hadrons en Europe; et Kent Paschke, qui travaille avec le Thomas Jefferson National Accelerator Facility du DOE, ou Jefferson Lab, dans Newport News.

Ducs, Neu et leurs équipes font partie du laboratoire de physique des hautes énergies de l'UVA, qui se consacre à répondre à des questions fondamentales impliquant la fabrication de tout. Le travail est "à haute énergie" car il nécessite d'énormes appareils électroniques pour créer des collisions contrôlées entre les protons, conçu pour les séparer et exposer leurs particules constitutives, ou de parcourir de longues distances et de subir des changements au fur et à mesure. Paschke, qui est également dans le département de physique de l'UVA, se concentre sur des projets avec Jefferson Lab.

Toutes les expériences nécessitent une puissance élevée, des ordinateurs volumineux et des techniques informatiques pour aider les chercheurs à obtenir une compréhension extrêmement détaillée à partir de milliards d'interactions de particules.

Higgs et quarks

Pour la première fois, les scientifiques ont mesuré l'interaction directe du boson de Higgs (parfois appelé « particule de Dieu ») avec un autre type de particule lourde appelée « quarks top ». Le boson de Higgs, qui a été théorisé dans les années 1960 et crée un champ à travers lequel toute autre matière existe, a été confirmée en 2012 par des expériences au Grand collisionneur de hadrons près de Genève, La Suisse. Les chercheurs de l'UVA ont joué un rôle clé dans cette découverte.

Ce lien entre le Higgs et les quarks top est important car, en théorie, les particules gagnent leur masse en interagissant avec le champ de Higgs, et la masse est nécessaire pour que les choses existent. C'est une partie fondamentale du modèle standard de physique, qui tente d'expliquer le fonctionnement des particules élémentaires – les particules qui composent l'univers même. Il a longtemps été logique pour les physiciens que les particules de Higgs et les quarks top interagiraient, mais il fallait le prouver.

Grâce à une longue série d'expériences au Grand collisionneur de hadrons, les scientifiques ont prouvé qu'en effet ils le font. Neu, professeur de physique de longue date à l'UVA, et son équipe ont joué un rôle majeur dans la découverte, publié récemment dans la revue éminente Lettres d'examen physique .

"Les scientifiques avaient besoin de prédictions théoriques précises pour les caractéristiques des processus d'arrière-plan ainsi que le développement de puissantes méthodes d'analyse de données qui utilisent l'apprentissage automatique pour apprendre à un ordinateur à distinguer les événements de signal de l'arrière-plan, ", a déclaré Neu. "Les étudiants et post-doctorants de l'UVA ont travaillé sur ces deux aspects vitaux de l'analyse au cours des sept dernières années."

Neu a noté que la découverte est une étape importante dans l'approfondissement de la compréhension du boson de Higgs et de son rôle dans les interactions entre d'autres particules, mais a noté qu'il y a encore beaucoup de place pour la découverte de phénomènes actuellement inconnus.

"Dans les années à venir, beaucoup plus de données seront collectées et la précision sera améliorée, afin de voir si le Higgs révèle la présence de physique au-delà du modèle standard, " dit-il. " C'est passionnant parce que nous savons que le modèle standard est une théorie incomplète; si jamais nous comprenons, par exemple, la nature de la matière noire, cela pourrait provenir de la découverte d'un écart dans ce que nous observons concernant le Higgs par rapport à la prédiction communément acceptée de ce qui pourrait se passer."

Comprendre les neutrinos

Depuis plus de trois ans, les scientifiques ont observé des particules appelées neutrinos lorsqu'elles oscillent d'un type à un autre sur une distance de 500 milles. Dans un énorme projet de 300 millions de dollars au Fermilab appelé NOvA, le but est d'en savoir plus sur les neutrinos - particules fantomatiques et abondantes qui voyagent à travers la matière, surtout sans laisser de trace.

C'est important parce que l'univers, dans son état actuel, est le résultat d'interactions de particules qui se sont produites dans les premières secondes après le Big Bang il y a près de 14 milliards d'années.

L'objectif à long terme de l'expérience est de rechercher des similitudes et des différences dans la façon dont les neutrinos et les antineutrinos changent d'un type - dans ce cas, muon - dans l'un des deux autres types, électron ou tau. Mesurer précisément ce changement à la fois des neutrinos et des antineutrinos, puis en les comparant, aidera les scientifiques à percer les secrets que détiennent ces particules sur la façon dont l'univers continue de fonctionner à son plus petit niveau - le niveau qui compose les grandes choses :les galaxies, étoiles, planètes, Bière.

Maintenant, des chercheurs, y compris un groupe dirigé par le professeur de physique de l'UVA Craig Dukes, ont vu des preuves solides d'antineutrinos muoniques oscillant en antineutrinos électroniques, un phénomène qui n'avait jamais été observé sans ambiguïté.

NOvA utilise deux grands détecteurs de particules - un plus petit au Fermilab dans l'Illinois et un beaucoup plus grand à 500 miles de distance dans le nord du Minnesota - pour étudier un faisceau de particules généré par le complexe d'accélérateurs du Fermilab et envoyé directement à travers la Terre, aucun tunnel requis (les neutrinos voyagent essentiellement sans entrave à travers la matière).

La clé du programme scientifique de NOvA consiste à comparer la vitesse à laquelle les neutrinos électroniques apparaissent dans le détecteur éloigné avec la vitesse à laquelle les antineutrinos électroniques apparaissent. Une mesure précise de ces différences permettra à NOvA d'atteindre l'un de ses principaux objectifs scientifiques :déterminer lequel des trois types de neutrinos est le plus lourd et lequel le plus léger, tout cela fait partie de la quête pour comprendre le comment et le pourquoi de l'existence.

Certains des instruments de détection du laboratoire Fermi ont été conçus et construits au laboratoire de physique des hautes énergies d'UVA.

Le côté faible du proton

Un nouveau résultat d'une grande expérience au Thomas Jefferson National Accelerator Facility fournit un test de précision de la « force faible, " lequel, tout en sonnant faible, est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. La découverte, publié dans la revue La nature , offre une fenêtre sur de nouvelles particules potentielles qui pourraient être explorées davantage au Grand collisionneur de hadrons.

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 alimentent le soleil, et il fournit un mécanisme pour les désintégrations radioactives qui chauffent partiellement le noyau de la Terre – et qui permet également aux médecins de détecter les maladies à l'intérieur du corps sans chirurgie.

Maintenant, les chercheurs, dont Paschke et son collaborateur UVA, le physicien Gordon Cates, ont 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 de faisceaux de haute qualité disponibles à l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu de Jefferson Lab.

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, qui décrit les forces électromagnétiques et faibles comme deux aspects différents d'une même force 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 est que les électrons du 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 deux parties sur 10 millions a été mesuré pour les deux états de polarisation du faisceau.

La faible charge du proton s'est avérée 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 résultat donne un aperçu des prédictions de particules lourdes non observées jusqu'à présent, tels que ceux qui pourraient être produits par le Grand collisionneur de hadrons ou les futurs accélérateurs de particules à haute énergie.