Un nuevo resultado del experimento Q-débil en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía proporciona una prueba de precisión de la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Este resultado, publicado recientemente en Naturaleza , también limita las posibilidades de nuevas partículas y fuerzas más allá de nuestro conocimiento actual.

"Las mediciones de precisión como esta pueden actuar como ventanas a un mundo de nuevas partículas potenciales que de otra manera solo podrían ser observables usando aceleradores de energía extremadamente alta que actualmente están fuera del alcance de nuestras capacidades técnicas, "dijo Roger Carlini, un científico de Jefferson Lab y un co-portavoz de la Colaboración Q-débil.

Si bien la fuerza débil es difícil de observar directamente, su influencia se puede sentir en nuestro mundo cotidiano. Por ejemplo, inicia la cadena de reacciones que alimentan al sol y proporciona un mecanismo de desintegración radiactiva que calienta parcialmente el núcleo de la Tierra y que también permite a los médicos detectar enfermedades dentro del cuerpo sin cirugía.

Ahora, la Colaboración Q-débil ha revelado uno de los secretos de la fuerza débil:la fuerza precisa de su agarre sobre el protón. Hicieron esto midiendo la carga débil del protón con alta precisión, que probaron utilizando los haces de alta calidad disponibles en la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

La carga débil del protón es análoga a su carga eléctrica más familiar, una medida de la influencia que experimenta el protón de la fuerza electromagnética. Estas dos interacciones están estrechamente relacionadas en el modelo estándar, una teoría de gran éxito que describe las fuerzas electromagnéticas y débiles como dos aspectos diferentes de una sola fuerza que interactúa con partículas subatómicas.

Para medir la carga débil del protón, un intenso haz de electrones se dirigió a un objetivo que contenía hidrógeno líquido frío, y los electrones dispersos de este objetivo se detectaron de forma precisa, Aparatos de medición hechos a medida. La clave del experimento Q-débil es que los electrones en el haz estaban altamente polarizados, preparados antes de la aceleración para estar mayormente "girando" en una dirección. paralelo o antiparalelo a la dirección del haz. Con la dirección de polarización rápidamente invertida de manera controlada, los experimentadores pudieron aferrarse a la propiedad única de la interacción débil de violación de la paridad (similar a la simetría especular), Para aislar sus minúsculos efectos con alta precisión:se midió una tasa de dispersión diferente de aproximadamente 2 partes en 10 millones para los dos estados de polarización del haz.

Se encontró que la carga débil del protón era QWp =0.0719 ± 0.0045, que resulta estar en excelente acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, que tiene en cuenta todas las partículas subatómicas conocidas y las fuerzas que actúan sobre ellas. Debido a que la carga débil del protón se predice con tanta precisión en este modelo, el nuevo resultado Q-débil proporciona información sobre las predicciones de partículas pesadas no observadas hasta ahora, como los que puede producir el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN en Europa o los futuros aceleradores de partículas de alta energía.

"Este resultado experimental tan desafiante es otra pista en la búsqueda mundial de nueva física más allá de nuestra comprensión actual. Hay amplia evidencia de que el Modelo Estándar de Física de Partículas proporciona solo una descripción incompleta de los fenómenos de la naturaleza, pero el lugar donde llegará el gran avance sigue siendo difícil de alcanzar, "dijo Timothy J. Hallman, Director Asociado de Física Nuclear del Departamento de Energía Oficina de Ciencias. "Experimentos como Q-débil están cada vez más cerca de encontrar la respuesta".

Por ejemplo, el resultado Q-débil ha puesto límites a la posible existencia de leptoquarks, que son partículas hipotéticas que pueden revertir las identidades de dos amplias clases de partículas fundamentales muy diferentes:convertir los quarks (los bloques de construcción de la materia nuclear) en leptones (electrones y sus contrapartes más pesadas) y viceversa.

"Después de más de una década de trabajo cuidadoso, Q-débil no solo informó al Modelo Estándar, Demostró que la precisión extrema puede permitir que los experimentos de energía moderada logren resultados a la par con los aceleradores más grandes disponibles para la ciencia, "dijo Anne Kinney, Subdirector de la Dirección de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Fundación Nacional de Ciencias. "Tal precisión será importante en la búsqueda de la física más allá del Modelo Estándar, donde los efectos de nuevas partículas probablemente aparecerían como desviaciones extremadamente pequeñas ".

"Es información complementaria. Entonces, si encuentran evidencia de nueva física en el futuro en el LHC, podemos ayudar a identificar lo que podría ser, de los límites que ya establecemos en este documento, "dijo Greg Smith, Científico de Jefferson Lab y gerente de proyectos de Q-débil.