Os físicos da Universidade da Virgínia desempenharam recentemente papéis importantes nas novas descobertas da física de partículas. Os cientistas estão envolvidos em grandes colaborações internacionais usando importantes instalações projetadas para expandir nosso conhecimento dos detalhes mais íntimos de como os menores pedaços conhecidos de átomos podem ter dado origem ao universo.

Os projetos de pesquisa são conduzidos na UVA pelo físico Craig Dukes, trabalhar com o Laboratório Nacional Fermi do Departamento de Energia dos EUA em Illinois; Chris Neu, que trabalha com o Large Hadron Collider na Europa; e Kent Paschke, que trabalha com o Thomas Jefferson National Accelerator Facility do DOE, ou Jefferson Lab, em Newport News.

Duques, Neu e suas equipes fazem parte do Laboratório de Física de Altas Energias da UVA, que se dedica a responder a questões fundamentais que envolvem a constituição de tudo. O trabalho é de "alta energia" porque requer enormes dispositivos eletrônicos para criar colisões controladas entre prótons, projetado para separá-los e expor suas partículas constituintes, ou para viajar longas distâncias e sofrer mudanças à medida que avançam. Paschke, que também está no Departamento de Física UVA, concentra-se em projetos com o Jefferson Lab.

Todos os experimentos exigem alta potência, computadores de big data e técnicas de computação para ajudar os pesquisadores a obter a compreensão em detalhes extremos, feita a partir de bilhões de interações de partículas.

Higgs e Quarks

Pela primeira vez, os cientistas mediram a interação direta do bóson de Higgs (às vezes chamada de "partícula de Deus") com outro tipo de partícula pesada chamada "quarks top". O bóson de Higgs, que foi teorizado na década de 1960 e cria um campo através do qual todas as outras matérias existem, foi confirmado em 2012 por experimentos no Grande Colisor de Hádrons perto de Genebra, Suíça. Os pesquisadores de UVA desempenharam papéis importantes nessa descoberta.

Esta ligação entre o Higgs e os quarks top é importante porque, em teoria, partículas ganham massa interagindo com o campo de Higgs, e a massa é necessária para que as coisas existam. Esta é uma parte fundamental do Modelo Padrão de Física, que tenta explicar como as partículas elementares - as partículas que constituem o próprio universo - operam. Faz muito sentido para os físicos que as partículas de Higgs e os quarks top interagiriam, mas precisava ser provado.

Por meio de uma longa série de experimentos no Grande Colisor de Hádrons, os cientistas provaram que sim. Neu, um antigo professor de física da UVA, e sua equipe desempenhou um papel importante na descoberta, publicado recentemente no jornal proeminente Cartas de revisão física .

"Os cientistas precisavam de previsões teóricas precisas para as características dos processos de fundo, bem como o desenvolvimento de métodos poderosos de análise de dados que usam aprendizado de máquina para ensinar um computador a distinguir eventos de sinal de fundo, "Neu disse." Os alunos e pós-doutorandos da UVA têm trabalhado nesses dois aspectos vitais da análise nos últimos sete anos.

Neu observou que a descoberta é um passo importante para aprofundar a compreensão do bóson de Higgs e seu papel nas interações entre outras partículas, mas observou que ainda há muito espaço para a descoberta de fenômenos atualmente desconhecidos.

"Nos próximos anos, muito mais dados serão coletados e a precisão será melhorada, a fim de ver se o Higgs revela a presença da física além do Modelo Padrão, "disse ele." Isso é empolgante porque sabemos que o Modelo Padrão é uma teoria incompleta; se algum dia vamos entender, por exemplo, a natureza da matéria escura, pode vir de encontrar uma discrepância no que observamos sobre o Higgs em comparação com a previsão comumente aceita do que pode estar acontecendo. "

Entendendo Neutrinos

Por mais de três anos, cientistas têm observado partículas chamadas neutrinos à medida que oscilam de um tipo para outro a uma distância de 500 milhas. Em um enorme projeto de $ 300 milhões no Fermilab chamado NOvA, o objetivo é descobrir mais sobre os neutrinos - partículas fantasmagóricas e abundantes que viajam pela matéria, principalmente sem deixar rastros.

É importante porque o universo, em seu estado atual, é o resultado de interações de partículas que ocorreram nos primeiros segundos após o Big Bang, quase 14 bilhões de anos atrás.

O objetivo de longo prazo do experimento é procurar semelhanças e diferenças em como os neutrinos e antineutrinos mudam de um tipo - neste caso, muon - em um dos outros dois tipos, elétron ou tau. Medir com precisão essa mudança em neutrinos e antineutrinos, e então compará-los, ajudará os cientistas a desvendar os segredos que essas partículas guardam sobre como o universo continua a operar em seu menor nível - o nível que compõe as grandes coisas:galáxias, estrelas, planetas, Cerveja.

Agora, pesquisadores, incluindo um grupo liderado pelo professor de física UVA Craig Dukes, viram fortes evidências de antineutrinos de múon oscilando em antineutrinos de elétrons, um fenômeno que nunca foi observado de forma inequívoca.

O NOvA usa dois detectores de partículas grandes - um menor no Fermilab em Illinois e um muito maior a 500 milhas de distância no norte de Minnesota - para estudar um feixe de partículas gerado pelo complexo acelerador do Fermilab e enviado diretamente pela Terra, nenhum túnel necessário (neutrinos viajam essencialmente desimpedidos pela matéria).

A chave para o programa de ciências do NOvA é comparar a taxa na qual os neutrinos do elétron aparecem no detector distante com a taxa que os antineutrinos do elétron aparecem. Uma medição precisa dessas diferenças permitirá ao NOvA atingir um de seus principais objetivos científicos:determinar qual dos três tipos de neutrinos é o mais pesado e qual o mais leve, tudo parte da busca para decifrar os comos e porquês da existência.

Alguns dos instrumentos detectores do Fermilab foram projetados e construídos no Laboratório de Física de Altas Energias da UVA.

O lado fraco do próton

Um novo resultado de um grande experimento no Thomas Jefferson National Accelerator Facility fornece um teste de precisão da "força fraca, " que, enquanto soa fraco, é uma das quatro forças fundamentais da natureza. A descoberta, publicado no jornal Natureza , fornece uma janela para novas partículas em potencial que podem ser exploradas no Grande Colisor de Hádrons.

Embora a força fraca seja difícil de observar diretamente, sua influência pode ser sentida em nosso mundo cotidiano. Por exemplo, 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, Os pesquisadores, incluindo Paschke e seu colaborador UVA, físico Gordon Cates, revelaram 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 feixes de alta qualidade disponíveis nas instalações do acelerador de feixe de elétrons contínuo do Jefferson Lab.

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, 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 é que os elétrons no feixe estavam altamente polarizados - preparados antes da aceleração para "girar" principalmente em uma direção, paralelo ou antiparalelo 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 duas partes em 10 milhões foi medida para os dois estados de polarização do feixe.

A carga fraca do próton foi considerada 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 resultado fornece uma visão sobre as previsões de partículas pesadas até agora não observadas, como aqueles que podem ser produzidos pelo Large Hadron Collider ou futuros aceleradores de partículas de alta energia.