Los físicos de la Universidad de Virginia han desempeñado recientemente un papel clave en los nuevos descubrimientos de la física de partículas. Los científicos están involucrados en grandes colaboraciones internacionales utilizando importantes instalaciones diseñadas para expandir nuestro conocimiento de los detalles más íntimos de cómo las piezas más pequeñas de átomos conocidas pueden haber dado a luz al universo.

Los proyectos de investigación están dirigidos en la UVA por el físico Craig Dukes, trabajando con el Laboratorio Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. en Illinois; Chris Neu, que trabaja con el Gran Colisionador de Hadrones en Europa; y Kent Paschke, que trabaja con la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del DOE, o Jefferson Lab, en Newport News.

Duques Neu y sus equipos forman parte del Laboratorio de Física de Altas Energías de la UVA, que se dedica a responder preguntas fundamentales que involucran los ingredientes de todo. El trabajo es de "alta energía" porque requiere enormes dispositivos electrónicos para crear colisiones controladas entre protones, diseñado para separarlos y exponer sus partículas constituyentes, o viajar largas distancias y sufrir cambios a medida que avanzan. Paschke, quien también está en el Departamento de Física de la UVA, se centra en proyectos con Jefferson Lab.

Todos los experimentos requieren de alta potencia, Computadoras de big data y técnicas de computación para ayudar a los investigadores a obtener una comprensión en extremo detalle a partir de miles de millones de interacciones de partículas.

Higgs y quarks

Por primera vez, Los científicos han medido la interacción directa del bosón de Higgs (a veces llamado "partícula de Dios") con otro tipo de partícula pesada llamada "quarks top". El bosón de Higgs, que fue teorizado en la década de 1960 y crea un campo a través del cual existe toda la otra materia, fue confirmado en 2012 por experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra, Suiza. Los investigadores de la UVA jugaron un papel clave en ese descubrimiento.

Este vínculo entre el Higgs y los quarks top es importante porque, En teoria, las partículas ganan su masa al interactuar con el campo de Higgs, y se necesita masa para que las cosas existan. Esta es una parte fundamental del Modelo Estándar de Física, que intenta explicar cómo operan las partículas elementales, las partículas que componen el universo mismo. Durante mucho tiempo ha tenido sentido para los físicos que las partículas de Higgs y los quarks superiores interactúen, pero necesitaba ser probado.

A través de una larga serie de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, los científicos han demostrado que de hecho lo hacen. Neu, profesor de física de la UVA desde hace mucho tiempo, y su equipo jugó un papel importante en el descubrimiento, publicado recientemente en la destacada revista Cartas de revisión física .

"Los científicos necesitaban predicciones teóricas precisas para las características de los procesos de fondo, así como el desarrollo de poderosos métodos de análisis de datos que utilizan el aprendizaje automático para enseñar a una computadora a distinguir los eventos de señal del fondo, ", Dijo Neu." Los estudiantes y postdoctorados de la UVA han estado trabajando en estos dos aspectos vitales del análisis durante los últimos siete años ".

Neu señaló que el hallazgo es un paso importante para profundizar en la comprensión del bosón de Higgs y su papel en las interacciones entre otras partículas. pero señaló que todavía hay mucho espacio para el descubrimiento de fenómenos actualmente desconocidos.

"En los próximos años, se recopilarán muchos más datos y se mejorará la precisión, para ver si el Higgs revela la presencia de la física más allá del Modelo Estándar, ", dijo." Esto es emocionante porque sabemos que el Modelo Estándar es una teoría incompleta; si alguna vez vamos a entender, por ejemplo, la naturaleza de la materia oscura, podría provenir de encontrar una discrepancia en lo que observamos con respecto al Higgs en comparación con la predicción comúnmente aceptada de lo que podría estar sucediendo ".

Entendiendo los neutrinos

Durante más de tres años, Los científicos han estado observando partículas llamadas neutrinos a medida que oscilan de un tipo a otro en una distancia de 500 millas. En un proyecto masivo de $ 300 millones en Fermilab llamado NOvA, el propósito es descubrir más sobre los neutrinos:partículas fantasmales y abundantes que viajan a través de la materia, sobre todo sin dejar rastro.

Es importante porque el universo, en su estado actual, es el resultado de interacciones de partículas que ocurrieron en los primeros segundos después del Big Bang hace casi 14 mil millones de años.

El objetivo a largo plazo del experimento es buscar similitudes y diferencias en cómo los neutrinos y antineutrinos cambian de un tipo, en este caso, muon - en uno de los otros dos tipos, electrón o tau. Midiendo con precisión este cambio tanto en neutrinos como en antineutrinos, y luego compararlos, ayudará a los científicos a descubrir los secretos que guardan estas partículas sobre cómo el universo continúa funcionando en su nivel más pequeño, el nivel que compone las grandes cosas:galaxias, estrellas, planetas cerveza.

Ahora, investigadores, incluido un grupo dirigido por el profesor de física de la UVA Craig Dukes, han visto una fuerte evidencia de antineutrinos muónicos que oscilan en antineutrinos electrónicos, un fenómeno que nunca se había observado sin ambigüedades.

NOvA utiliza dos detectores de partículas grandes, uno más pequeño en Fermilab en Illinois y uno mucho más grande a 500 millas de distancia en el norte de Minnesota, para estudiar un haz de partículas generado por el complejo acelerador del Fermilab y enviado directamente a la Tierra. no se requiere túnel (los neutrinos viajan esencialmente sin obstáculos a través de la materia).

La clave del programa científico de NOvA es comparar la velocidad a la que aparecen los neutrinos electrónicos en el detector lejano con la velocidad a la que aparecen los antineutrinos electrónicos. Una medición precisa de esas diferencias permitirá a NOvA lograr uno de sus principales objetivos científicos:determinar cuál de los tres tipos de neutrinos es el más pesado y cuál el más ligero. todo es parte de la búsqueda para descifrar los cómo y por qué de la existencia.

Algunos de los instrumentos detectores en Fermilab fueron diseñados y construidos en el Laboratorio de Física de Alta Energía de la UVA.

El lado débil del protón

Un nuevo resultado de un gran experimento en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson proporciona una prueba de precisión de la "fuerza débil, " cuales, mientras suena débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El hallazgo, publicado en la revista Naturaleza , proporciona una ventana a posibles nuevas partículas que podrían explorarse más en el Gran Colisionador de Hadrones.

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, los investigadores, incluyendo a Paschke y su colaborador de UVA, el físico Gordon Cates, han 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 haces de alta calidad disponibles en la instalación del acelerador de haz de electrones continuo de Jefferson Lab.

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, 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 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 pequeños efectos con alta precisión:se midió una tasa de dispersión diferente en aproximadamente dos partes en 10 millones para los dos estados de polarización del haz.

Se encontró que la carga débil del protón estaba 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 resultado proporciona información sobre las predicciones de partículas pesadas no observadas hasta ahora, como los que pueden producir el Gran Colisionador de Hadrones o los futuros aceleradores de partículas de alta energía.