David Armstrong étudie un phénomène omniprésent dans la nature, pourtant, seuls quelques non-scientifiques savent ce que c'est.

C'est ce qu'on appelle la force faible, ou l'interaction faible. Armstrong a récemment été nommé membre 2018 de l'American Physical Society. Sa citation indique que l'honneur est basé sur « son rôle de leader dans un programme de recherche tout au long de sa carrière centré sur la caractérisation et la compréhension du rôle de la force faible et des phénomènes de violation de la parité en physique nucléaire ».

« C'est un honneur professionnel important. Le nombre de boursiers élus chaque année est limité à un maximum de la moitié d'un pour cent des membres de l'APS, " a déclaré Christopher D. Carone, président du département de physique William &Mary.

"Maintenant, environ 30 pour cent des professeurs de physique réguliers de William &Mary sont des boursiers de l'APS. J'ai hâte de voir ce pourcentage augmenter de manière significative dans les années à venir !", a ajouté Carone.

Armstrong est venu chez William &Mary en 1994. Maintenant, en tant que chancelier professeur de physique, partage son temps entre Small Hall et le Jefferson Lab, où il collabore à un certain nombre d'expériences de physique des particules, dont la plupart impliquent la force faible. Quand Armstrong parle de son travail à des gens qui ne parlent pas la physique, il commence par expliquer que la force faible est l'une des quatre interactions fondamentales qui permettent à l'univers de fonctionner.

"Deux d'entre eux sont familiers à la plupart d'entre nous, " dit Armstrong. " La gravité :elle maintient les planètes en orbite autour du soleil et nous maintient attachés à la Terre. Électricité et magnétisme :Nous avons appris depuis Maxwell que ce sont deux aspects d'une même force. Nous les connaissons, et l'électromagnétisme est responsable du maintien des électrons en orbite autour du noyau. Essentiellement, toute la chimie naît de l'électricité et du magnétisme."

Moins connu du grand public, il a dit, sont les deux forces nucléaires. La force forte maintient ensemble les protons et les neutrons (et leurs quarks constitutifs) dans le noyau. Le dernier, et le moins familier, des interactions fondamentales est la force faible, responsable de certains types de désintégration radioactive.

"Contrairement à ces autres interactions, Je ne peux pas vous donner un exemple de quelque chose qui est maintenu par la force faible, " dit Armstrong. " Mais la force faible est incroyablement importante, parce que la vie n'existerait pas sans elle."

Il a souligné que le processus de fusion au soleil, où les atomes d'hydrogène se superposent pour devenir de l'hélium, est un exemple de la force faible en action. Une étape critique dans cette chaîne de réaction a lieu à travers la force faible, donc en fait, la force faible entraîne la fournaise nucléaire du soleil.

"Si l'interaction faible était significativement plus forte qu'elle ne l'est, alors le soleil se serait éteint il y a des années, " dit-il. " Si l'interaction faible était plus faible, alors le soleil ne se serait pas enflammé."

"Certains types de désintégration radioactive, qui sont souvent utiles dans des choses comme l'imagerie médicale, passer par l'interaction faible, " il expliqua.

Ses premières recherches impliquaient une particule appelée le muon, qu'il appelait "la courte durée de vie de l'électron, sœur plus lourde." ("Je ne sais pas pourquoi, mais le muon me semble femelle, " il a dit.)

Le muon est 200 fois plus massif que l'électron, mais peut faire tout ce qu'un électron fait. Par exemple, Armstrong a déclaré que les physiciens peuvent créer un atome dans lequel les muons remplacent les électrons. Cette capacité à changer de rôle découle d'une caractéristique propre à l'interaction faible.

"Il permet aux particules de se transmuter, de changer de nature, " Armstrong a dit. " Le muon se désintégrera par l'interaction faible en d'autres particules. Le muon se désintègre généralement en un électron et quelques neutrinos."

La faible superpuissance de transmogrification induite par la force du muon lui permet d'interagir avec le noyau, également, convertir des protons en neutrons, avec quelques neutrinos comme changement.

"Donc, une grande partie de mes recherches étaient initialement basées sur la compréhension des interactions faibles des protons et des neutrons dans les noyaux, " il a dit.

Peu de temps après son arrivée chez JLab et William &Mary, il y a 25 ans, il s'est rendu compte qu'il y avait une opportunité d'utiliser son enquête sur la force faible des muons et de l'appliquer à la force faible du frère plus svelte du muon, l'électron.

Armstrong fait partie de Qweak Collaboration, une collection de scientifiques qui ont enregistré la toute première mesure directe de la charge faible du proton à l'installation JLab du ministère de l'Énergie. Dans son ouvrage le plus récent, Armstrong utilise une autre propriété unique à la force faible dans ses expériences.

"Cela viole une symétrie de la nature appelée parité, " expliqua-t-il. " Les symétries sont extrêmement importantes en physique; ils nous disent qu'il se passe quelque chose de fondamental."

La parité existe lorsqu'une "image miroir" d'un système (une image dans laquelle tous les avantages et les inconvénients sont modifiés) est identique au système d'origine. La parité est une propriété de la gravité, électromagnétisme, la force forte — et pendant longtemps, la parité était considérée comme une propriété universelle de l'univers.

"Dans les années 1950, nous avons constaté que ce n'était pas le cas, uniquement à cause de l'interaction faible, " dit Armstrong. Si votre reflet dans un miroir révélait, dire, un doigt supplémentaire, ce serait assez bizarre, surtout lorsque vous regardez votre main et que vous ne voyez aucun nouveau chiffre. C'est un analogue de la violation de la parité, mais pas complet :contrairement à un petit doigt supplémentaire dans le miroir, la violation de la parité dans la force faible est tout à fait naturelle.

Et, pour les scientifiques, le statut de parité de la force faible donne à Armstrong et à d'autres physiciens un point d'entrée dans la poursuite d'une nouvelle physique, au-delà du modèle standard. Cette poursuite implique une enquête sur la force faible et d'autres domaines au-delà de la perception quotidienne, comme les ondes gravitationnelles, neutrinos et quarks.

En plus de l'expérience Q-Weak au JLab, Armstrong étudie également les quarks qui composent les protons et les neutrons. Il y a six quarks, particules élémentaires au sein du modèle standard qui portent un ensemble de noms inhabituels :top, bas, en haut, vers le bas, étrange et charmant.

« Je peux identifier les différents types de quarks grâce à leurs interactions faibles, " a-t-il dit. Les quarks up et down sont les éléments constitutifs élémentaires de la matière, en s'assemblant en protons et neutrons, et Armstrong et ses collaborateurs ont pu utiliser la force faible pour en savoir plus sur la contribution du quark étrange à la taille et au moment magnétique du proton.

Il est impliqué dans une prochaine expérience JLab qui utilise la violation de la parité pour examiner un noyau très lourd :le plomb.

"Le plomb a plus de neutrons que de protons, " dit Armstrong. " Par conséquent, on pourrait s'attendre à ce que la distribution des neutrons dans un noyau de plomb les fasse « ressortir », créant une peau de neutrons à l'extérieur du noyau.

"Il s'avère que l'interaction faible est un excellent moyen de rechercher cela, " a-t-il ajouté. " Parce que les neutrons interagissent différemment des protons. "

La peau neutronique, il a dit, reste théorique. Mais il espère que son expérience sera la première à le confirmer par observation. Ce serait une observation importante avec des implications cosmologiques.

"Non seulement cela nous parle des noyaux, mais il se connecte aussi avec des choses d'intérêt pour les astronomes et les astrophysiciens, " expliqua Armstrong. " Parce qu'une étoile à neutrons n'est rien de plus que le plus gros noyau de l'univers, et qu'il est dominé par les neutrons. "