Los físicos nucleares midieron con éxito la carga débil del protón disparando electrones a un objetivo de hidrógeno líquido frío en un experimento llevado a cabo en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía. Apodado Q-débil, el experimento de precisión presentó muchos desafíos técnicos para que los físicos los resolvieran para su conclusión exitosa.

Una variable potencialmente confusa fue el propio objetivo de hidrógeno líquido frío. El sistema de destino fue diseñado a medida para Q-débil, teniendo cuidado de construir un sistema que pudiera mantener el hidrógeno frío incluso mientras estaba siendo bombardeado por un despiadado pero preciso haz de electrones giratorios.

Los físicos incluso tuvieron que considerar qué impacto tendría en su resultado el recipiente de aluminio que contenía el hidrógeno. Por su parte en la solución de este desafío técnico y por la tesis que escribió sobre estos esfuerzos, Kurtis Bartlett recibió el Premio de Tesis de Jefferson Science Associates 2018.

La carga débil del protón describe cuánto la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, actúa sobre el protón.

"Sondear el protón con un electrón a través de la fuerza débil, te permite medir realmente la carga débil, "Dijo Bartlett.

Pero, como su nombre lo indica, la fuerza débil es, bien, débil. Es mucho más probable que los electrones interactúen con los protones a través de la fuerza electromagnética, otra fuerza fundamental.

Afortunadamente, la fuerza débil tiene un marcador único:viola una simetría universal llamada paridad. Un proceso que conserva la simetría de paridad ocurre con la misma probabilidad que su imagen especular. La fuerza débil exhibe asimetría para las transformaciones de paridad.

"Medir esta asimetría da acceso a la fuerza débil, "Bartlett dijo." Sin embargo, es muy difícil de hacer en el laboratorio, es un tipo de operación matemática ".

En lugar de, Q-débil utilizó un sustituto de la transformación de paridad. Antes de que se aceleraran los electrones, estaban polarizados de modo que todos giraban en la misma dirección que el rayo, o en la dirección opuesta a la del haz.

Debido a que la fuerza electromagnética conserva la simetría de paridad, interactúa de la misma manera con los electrones que giran en cualquier dirección. Pero debido a que la fuerza débil viola la simetría de paridad, interactúa más con los electrones que giran en una dirección. Los físicos pueden aprovechar esta diferencia para obtener una medida de la carga débil del protón.

Alcanzando esa medida, sin embargo, no fue tan simple. En el experimento, una pequeña fracción de electrones que los físicos miden nunca llegan al objetivo de hidrógeno. En lugar de, algunos electrones se dispersaron del contenedor de aluminio que contenía el hidrógeno, que contaminó la señal de fuerza débil que los físicos estaban tratando de medir.

Ahí es donde entró Bartlett. Su tarea consistía en minimizar esta contaminación de la señal determinando la cantidad de la señal medida que provenía del contenedor objetivo de aluminio.

"Pasé por el proceso de comprender cómo corregir nuestros valores medidos, "dijo Bartlett.

Para hacerlo Q-débil eliminó el objetivo de hidrógeno para algunas carreras, sustituyéndolo por una pieza de aluminio idéntica al recipiente. Luego, Q-débil volvió a disparar electrones polarizados al objetivo, excepto en lugar de medir la asimetría de paridad usando un protón de hidrógeno, Bartlett midió la asimetría de paridad utilizando un núcleo de aluminio.

"Es la primera vez que se mide ese tipo de asimetría, que es algo muy emocionante, " él dijo.

Bartlett trabajó en su tesis, "Primeras mediciones de las asimetrías de giro único normal de haz y con violación de paridad en la dispersión elástica de electrones y aluminio, "en Jefferson Lab mientras realizaba su doctorado en física nuclear experimental en William &Mary. Su asesor de tesis fue Wouter Deconinck, profesor asistente de física en William &Mary que también trabajó en el experimento Q-débil.

Bartlett presentó su trabajo de tesis a la Junta Directiva de la Organización de Usuarios de Laboratorio de Jefferson, que supervisan el proceso de adjudicación del Premio de Tesis de JSA. Los usuarios son científicos de todo Estados Unidos y de todo el mundo que realizan experimentos de física nuclear fundamentales con las instalaciones y capacidades de investigación de Jefferson Lab.

"Estaba emocionado de escuchar la noticia de que había ganado, y me siento muy honrado de recibirlo, ", Dijo Bartlett." Aunque recibí este premio por mi disertación, es mucho un esfuerzo de grupo, y quiero destacar que Q-débil en su conjunto involucró a muchos científicos, ingenieros técnicos y personal administrativo para hacerlo todo ".

El premio de tesis JSA se otorga anualmente al mejor doctorado. tesis de estudiante sobre investigación relacionada con la ciencia de Jefferson Lab, e incluye $ 2, Premio de 500 en efectivo y placa conmemorativa. Las nominaciones se juzgan según cuatro criterios:la calidad del trabajo escrito, la contribución del estudiante a la investigación, el impacto de la obra en el campo de la física, y servicio (cómo el trabajo beneficia a Jefferson Lab u otros experimentos).

La Asociación de Investigación de Universidades del Sureste estableció el Premio de Tesis JSA en 1999. Ahora es uno de los muchos proyectos apoyados por el Programa del Fondo de Iniciativas JSA. que fue establecido por Jefferson Science Associates para apoyar programas, iniciativas y actividades que promueven la divulgación científica, y promover la ciencia, misiones de educación y tecnología de Jefferson Lab de manera que complementen su enfoque de investigación básica y aplicada.

"Los estudiantes de posgrado son la fuerza impulsora de cualquier empresa de investigación, por eso, la Organización de Usuarios de Laboratorio de Jefferson se enorgullece de dar nuevamente el precio de la tesis este año. Agradecemos a JSA por brindar apoyo para este premio, "dijo Julie Roche, la cátedra JLUO 2018-2019 y profesora en la Universidad de Ohio. "Como siempre, las tesis presentadas fueron de muy alta calidad y convirtieron la decisión de un ganador en todo un desafío. Quiero agradecer al comité de selección dirigido por el profesor Kent Paschke de la Universidad de Virginia por su cuidadoso examen de las presentaciones. En el final, estamos encantados de reconocer el trabajo de Kurtis ".

Bartlett es actualmente investigador asociado postdoctoral para el Grupo de Aplicaciones y Ciencias Espaciales en el Laboratorio Nacional de Los Alamos del DOE, donde desarrolla detectores de naves espaciales que miden la radiación para ayudar a determinar la composición de los cuerpos planetarios.

"Aunque ahora estoy desarrollando hardware, Todavía estoy usando el conjunto de habilidades desarrollado en la investigación de mi tesis, "Dijo Bartlett.