Crédito:CC0 Public Domain
David Armstrong estudia un fenómeno de naturaleza omnipresente, sin embargo, solo unos pocos no científicos saben de qué se trata.
Se llama fuerza débil o la interacción débil. Armstrong fue nombrado recientemente miembro de la Sociedad Estadounidense de Física en 2018. Su cita dice que el honor se basa en "su papel de liderazgo en un programa de investigación de toda su carrera centrado en caracterizar y comprender el papel de la fuerza débil y los fenómenos que violan la paridad en la física nuclear".
"Este es un honor profesional significativo. La cantidad de becarios elegidos cada año se limita a no más de la mitad del uno por ciento de la membresía de APS, "dijo Christopher D. Carone, presidente del Departamento de Física William &Mary.
"En el presente, Aproximadamente el 30 por ciento de la facultad de física regular de William &Mary son becarios de APS. ¡Espero ver que este porcentaje crezca significativamente en los próximos años! ", Agregó Carone.
Armstrong llegó a William &Mary en 1994. Ahora, como profesor rector de Física, divide su tiempo entre Small Hall y el Jefferson Lab, donde colabora en una serie de experimentos de física de partículas, la mayoría de los cuales involucran la fuerza débil. Cuando Armstrong habla de su trabajo con personas que no hablan física, comienza explicando que la fuerza débil es una de las cuatro interacciones fundamentales que mantienen al universo en funcionamiento.
"Dos de ellos nos son familiares a la mayoría de nosotros, ", Dijo Armstrong." Gravedad:mantiene a los planetas en órbita alrededor del sol y nos mantiene pegados a la Tierra. Electricidad y magnetismo:hemos aprendido desde Maxwell que son dos aspectos de la misma fuerza. Estamos familiarizados con esos y el electromagnetismo es el responsable de que los electrones permanezcan en órbita alrededor del núcleo. Básicamente, toda la química surge de la electricidad y el magnetismo ".
Menos familiar para el público laico, él dijo, son las dos fuerzas nucleares. La fuerza fuerte mantiene unidos a los protones y neutrones (y sus quarks constituyentes) en el núcleo. El último, y menos familiar, de las interacciones fundamentales es la fuerza débil, responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva.
"A diferencia de esas otras interacciones, No puedo darte un ejemplo de algo que se mantiene unido por la fuerza débil, Armstrong dijo. "Pero la fuerza débil es increíblemente importante, porque la vida no existiría sin él ".
Señaló que el proceso de fusión en el sol, mediante el cual los átomos de hidrógeno se unen entre sí para convertirse en helio, es un ejemplo de la fuerza débil en acción. Un paso crítico en esa cadena de reacción tiene lugar a través de la fuerza débil, así que, de hecho, la fuerza débil impulsa el horno nuclear del sol.
"Si la interacción débil fuera significativamente más fuerte de lo que es, entonces el sol se habría quemado hace años, ", dijo." Si la interacción débil fuera más débil, entonces el sol no se habría encendido ".
"Ciertos tipos de desintegración radiactiva, que a menudo son útiles en cosas como imágenes médicas, tener lugar a través de la interacción débil, " él explicó.
Su primera investigación involucró una partícula llamada muón, que llamó "el electrón de corta duración, hermana más pesada ". (" No sé por qué, pero el muón me parece femenino, " él dijo.)
El muón es 200 veces más masivo que el electrón, pero puede hacer todo lo que hace un electrón. Por ejemplo, Armstrong dijo que los físicos pueden hacer un átomo en el que los muones reemplazan a los electrones. Esta capacidad de cambiar roles se deriva de una característica única de la interacción débil.
"Permite que las partículas se transmuten, cambien su naturaleza, "Armstrong dijo." El muón se descompondrá a través de la interacción débil en otras partículas. El muón normalmente se descompone en un electrón y un par de neutrinos ".
La débil superpotencia de transfiguración impulsada por la fuerza del muón le permite interactuar con el núcleo, así como, convertir protones en neutrones, con algunos neutrinos como cambio.
"Así que, inicialmente, gran parte de mi investigación se basó en comprender las interacciones débiles de los protones y neutrones en los núcleos, " él dijo.
Poco después de llegar a JLab y William &Mary, Hace 25 años, se dio cuenta de que había una oportunidad de usar su investigación de la fuerza débil de los muones y aplicarla a la fuerza débil del hermano más esbelto del muón, el electrón.
Armstrong es parte de Qweak Collaboration, una colección de científicos que registraron la primera medición directa de la carga débil del protón en la instalación JLab del Departamento de Energía. En su trabajo más reciente, Armstrong está utilizando otra propiedad exclusiva de la fuerza débil en sus experimentos.
"Viola una simetría de la naturaleza llamada paridad, ", explicó." Las simetrías son extremadamente importantes en física; nos dicen que algo fundamental está sucediendo ".
La paridad existe cuando una "imagen especular" de un sistema (una en la que se cambian todas las ventajas y desventajas) es idéntica al sistema original. La paridad es una propiedad de la gravedad, electromagnetismo, la fuerza fuerte, y durante mucho tiempo, se creía que la paridad era una propiedad universal del universo.
"En la década de 1950, descubrimos que ese no era el caso, únicamente debido a la interacción débil, "Dijo Armstrong. Si se revela su reflejo en un espejo, decir, un dedo extra, eso sería bastante extraño, especialmente cuando mira hacia abajo a su mano y no ve dígitos nuevos. Es un análogo de la violación de la paridad, pero no uno completo:a diferencia de un meñique adicional en el espejo, la violación de la paridad en la fuerza débil es completamente natural.
Y, para los científicos, el estado de paridad impar-uno-fuera de la fuerza débil le da a Armstrong y a otros físicos un punto de entrada en la búsqueda de una nueva física, más allá del Modelo Estándar. Esta búsqueda implica la investigación de la fuerza débil y otras áreas más allá de la percepción cotidiana, como las ondas gravitacionales, neutrinos y quarks.
Además del experimento Q-Weak en JLab, Armstrong también estudia los quarks que forman los protones y neutrones. Hay seis quarks, partículas elementales dentro del Modelo Estándar que llevan un conjunto de nombres inusuales:arriba, fondo, hasta, abajo, extraño y encantador.
"Puedo identificar los diferentes tipos de quarks a través de sus interacciones débiles, ", dijo. Los quarks arriba y abajo son los bloques de construcción elementales de la materia, a medida que se ensamblan en protones y neutrones, y Armstrong y sus colaboradores pudieron usar la fuerza débil para aprender sobre la contribución del quark extraño al tamaño y momento magnético del protón.
Está involucrado en un próximo experimento de JLab que utiliza la violación de la paridad para examinar un núcleo muy pesado:el plomo.
"El plomo tiene más neutrones que protones, Armstrong dijo. Por lo tanto, uno podría esperar que la distribución de neutrones en un núcleo de plomo los hiciera "sobresalir", formando una capa de neutrones en el exterior del núcleo.
"Resulta que la interacción débil es una excelente manera de buscar eso, ", agregó." Porque los neutrones interactúan de manera diferente a los protones ".
La piel de neutrones él dijo, sigue siendo teórico. Pero espera que su experimento sea el primero en confirmarlo observacionalmente. Sería una observación importante con implicaciones cosmológicas.
"No solo nos habla de los núcleos, pero también se conecta con cosas de interés para astrónomos y astrofísicos, "Armstrong explicó." Porque una estrella de neutrones no es más que el núcleo más grande del universo, y uno que está dominado por neutrones ".