Um novo resultado do experimento Q-fraco no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia fornece um teste de precisão da força fraca, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Este resultado, publicado recentemente em Natureza , também restringe possibilidades para novas partículas e forças além de nosso conhecimento atual.

"Medidas de precisão como esta podem atuar como janelas para um mundo de novas partículas em potencial que, de outra forma, só seriam observáveis ​​usando aceleradores de energia extremamente alta que estão atualmente fora do alcance de nossas capacidades técnicas, "disse Roger Carlini, um cientista do Jefferson Lab e co-porta-voz da Colaboração Q-fraca.

Embora a força fraca seja difícil de observar diretamente, sua influência pode ser sentida em nosso mundo cotidiano. Por exemplo, ele inicia a cadeia de reações que alimentam o sol e fornece um mecanismo para decaimentos radioativos que aquecem parcialmente o núcleo da Terra e que também permitem aos médicos detectar doenças dentro do corpo sem cirurgia.

Agora, a colaboração Q-fraca revelou um dos segredos da força fraca:a força precisa de seu controle sobre o próton. Eles fizeram isso medindo a carga fraca do próton com alta precisão, que eles sondaram usando os feixes de alta qualidade disponíveis no Continuous Electron Beam Accelerator Facility, um DOE Office of Science User Facility.

A carga fraca do próton é análoga à sua carga elétrica mais familiar, uma medida da influência que o próton experimenta da força eletromagnética. Essas duas interações estão intimamente relacionadas no modelo padrão, uma teoria de grande sucesso que descreve as forças eletromagnéticas e fracas como dois aspectos diferentes de uma única força que interage com as partículas subatômicas.

Para medir a carga fraca do próton, um intenso feixe de elétrons foi direcionado para um alvo contendo hidrogênio líquido frio, e os elétrons espalhados por este alvo foram detectados de forma precisa, aparelhos de medição customizados. A chave para o experimento Q-fraco é que os elétrons no feixe eram altamente polarizados - preparados antes da aceleração para estarem "girando" principalmente em uma direção, paralelo ou anti-paralelo à direção do feixe. Com a direção da polarização rapidamente invertida de maneira controlada, os experimentadores foram capazes de se agarrar à propriedade única de violação de paridade (semelhante à simetria de espelho) da interação fraca, a fim de isolar seus pequenos efeitos com alta precisão:uma taxa de espalhamento diferente em cerca de 2 partes em 10 milhões foi medida para os dois estados de polarização do feixe.

A carga fraca do próton foi encontrada como sendo QWp =0,0719 ± 0,0045, que acaba por estar em excelente acordo com as previsões do Modelo Padrão, que leva em consideração todas as partículas subatômicas conhecidas e as forças que agem sobre elas. Como a carga fraca do próton é prevista com tanta precisão neste modelo, o novo resultado Q-fraco fornece uma visão sobre as previsões de partículas pesadas até então não observadas, tais como aqueles que podem ser produzidos pelo Large Hadron Collider (LHC) no CERN na Europa ou futuros aceleradores de partículas de alta energia.

"Este resultado experimental muito desafiador é mais uma pista na busca mundial por uma nova física além do nosso entendimento atual. Há ampla evidência de que o Modelo Padrão de Física de Partículas fornece apenas uma descrição incompleta dos fenômenos da natureza, mas de onde virá o avanço permanece indescritível, "disse Timothy J. Hallman, Diretor Associado de Física Nuclear do Departamento de Energia Office of Science. "Experimentos como o Q-fraco estão cada vez mais próximos de encontrar a resposta."

Por exemplo, o resultado Q-fraco estabeleceu limites para a possível existência de leptoquarks, que são partículas hipotéticas que podem inverter as identidades de duas classes amplas de partículas fundamentais muito diferentes - transformando quarks (os blocos de construção da matéria nuclear) em léptons (elétrons e suas contrapartes mais pesadas) e vice-versa.

"Depois de mais de uma década de trabalho cuidadoso, Q-fraco não informou apenas o Modelo Padrão, mostrou que a precisão extrema pode permitir experimentos de energia moderada para alcançar resultados semelhantes aos maiores aceleradores disponíveis para a ciência, "disse Anne Kinney, Diretor Assistente da Diretoria de Ciências Matemáticas e Físicas da National Science Foundation. "Essa precisão será importante na busca pela física além do Modelo Padrão, onde novos efeitos de partículas provavelmente apareceriam como desvios extremamente pequenos. "

"É uma informação complementar. Então, se eles encontrarem evidências para uma nova física no futuro no LHC, podemos ajudar a identificar o que pode ser, dos limites que já definimos neste artigo, "disse Greg Smith, Cientista do Jefferson Lab e gerente de projeto Q-fraco.