David Armstrong estuda um fenômeno que é onipresente na natureza, no entanto, apenas alguns não cientistas sabem o que é.

É chamada de força fraca, ou a interação fraca. Armstrong foi recentemente nomeado membro 2018 da American Physical Society. Sua citação diz que a homenagem se baseia em "seu papel de liderança em um programa de pesquisa ao longo da carreira, centrado na caracterização e compreensão do papel da força fraca e dos fenômenos que violam a paridade na física nuclear".

"Esta é uma honra profissional significativa. O número de bolsistas eleitos a cada ano é limitado a não mais que meio por cento dos membros da APS, "disse Christopher D. Carone, presidente do Departamento de Física William &Mary.

"Atualmente, cerca de 30 por cento do corpo docente regular de física da William &Mary são bolsistas APS. Espero ver essa porcentagem crescer significativamente nos próximos anos! ”, Acrescentou Carone.

Armstrong veio para a William &Mary em 1994. Agora, como Professor Chanceler de Física, divide seu tempo entre o Small Hall e o Jefferson Lab, onde ele colabora em uma série de experimentos de física de partículas, a maioria dos quais envolve a força fraca. Quando Armstrong fala sobre seu trabalho para pessoas que não falam física, ele começa explicando que a força fraca é uma das quatro interações fundamentais que mantêm o universo funcionando.

"Dois deles são familiares para a maioria de nós, "Armstrong disse." Gravidade:mantém os planetas em órbita ao redor do Sol e nos mantém fixados na Terra. Eletricidade e magnetismo:aprendemos desde Maxwell que são dois aspectos da mesma força. Estamos familiarizados com eles, e o eletromagnetismo é o responsável pelos elétrons permanecerem em órbita ao redor do núcleo. Basicamente, toda a química surge da eletricidade e do magnetismo. "

Menos familiar para o público leigo, ele disse, são as duas forças nucleares. A força forte mantém juntos os prótons e nêutrons (e seus quarks constituintes) no núcleo. O último, e menos familiarizado, das interações fundamentais é a força fraca, responsável por certos tipos de decomposição radioativa.

"Ao contrário dessas outras interações, Eu não posso te dar um exemplo de algo que é mantido unido pela força fraca, "Armstrong disse." Mas a força fraca é incrivelmente importante, porque a vida não existiria sem ele. "

Ele ressaltou que o processo de fusão ao sol, por meio do qual os átomos de hidrogênio se aglomeram para se tornarem hélio, é um exemplo da força fraca em ação. Uma etapa crítica nessa cadeia de reação ocorre por meio da força fraca, então, de fato, a força fraca impulsiona a fornalha nuclear do sol.

"Se a interação fraca fosse significativamente mais forte do que é, então o sol teria queimado anos atrás, "disse ele." Se a interação fraca fosse mais fraca, então o sol não teria acendido. "

"Certos tipos de decaimento radioativo, que muitas vezes são úteis em coisas como imagens médicas, ocorrem por meio da interação fraca, " ele explicou.

Suas primeiras pesquisas envolveram uma partícula chamada muon, que ele chamou de "vida curta do elétron, irmã mais pesada. "(" Não sei por quê, mas o muon parece feminino para mim, " ele disse.)

O múon é 200 vezes mais massivo que o elétron, mas pode fazer tudo que um elétron faz. Por exemplo, Armstrong disse que os físicos podem fazer um átomo no qual múons substituem elétrons. Essa capacidade de trocar de função deriva de uma característica única da interação fraca.

"Ele permite que as partículas se transmutem - para mudar sua natureza, "Armstrong disse." O múon irá decair através da interação fraca em outras partículas. O múon normalmente decai em um elétron e alguns neutrinos. "

A fraca superpotência de transmogrificação movida pela força do múon permite que ele interaja com o núcleo, também, converter prótons em nêutrons, com alguns neutrinos como mudança.

"Portanto, grande parte da minha pesquisa inicialmente foi baseada na compreensão das interações fracas de prótons e nêutrons nos núcleos, " ele disse.

Logo depois que ele veio para JLab and William &Mary, 25 anos atrás, ele percebeu que havia uma oportunidade de usar sua investigação da força fraca dos múons e aplicá-la à força fraca do irmão mais esbelto do múon, o elétron.

Armstrong faz parte da Qweak Collaboration, uma coleção de cientistas que registraram a primeira medição direta da carga fraca do próton na instalação JLab do Departamento de Energia. Em seu trabalho mais recente, Armstrong está usando outra propriedade exclusiva da força fraca em seus experimentos.

"Isso viola uma simetria da natureza chamada paridade, "ele explicou." As simetrias são extremamente importantes na física; eles nos dizem que algo fundamental está acontecendo. "

A paridade existe quando uma "imagem espelhada" de um sistema (em que todos os pontos positivos e negativos são alterados) é idêntica ao sistema original. A paridade é uma propriedade da gravidade, eletromagnetismo, a força forte - e por um longo tempo, paridade era considerada uma propriedade universal do universo.

"Na década de 1950, descobrimos que não era o caso, apenas devido à interação fraca, "Armstrong disse. Se o seu reflexo em um espelho for revelado, dizer, um dedo extra, isso seria muito estranho, especialmente quando você olha para sua mão e não vê nenhum novo dígito. É um análogo da violação de paridade, mas não completo:ao contrário de um dedinho extra no espelho, a violação da paridade na força fraca é completamente natural.

E, para cientistas, o status de paridade ímpar da força fraca dá a Armstrong e outros físicos um ponto de entrada na busca de uma nova física, além do modelo padrão. Essa busca envolve investigação sobre a força fraca e outras áreas além da percepção cotidiana, como ondas gravitacionais, neutrinos e quarks.

Além do experimento Q-Weak no JLab, Armstrong também estuda os quarks que constituem os prótons e nêutrons. Existem seis quarks, partículas elementares dentro do Modelo Padrão que carregam um conjunto de nomes incomuns:top, fundo, acima, baixa, estranho e charme.

"Posso identificar os diferentes tipos de quarks por meio de suas interações fracas, "disse ele. Os quarks up e down são os blocos de construção elementares da matéria, à medida que se reúnem em prótons e nêutrons, e Armstrong e seus colaboradores foram capazes de usar a força fraca para aprender sobre a contribuição do quark estranho para o tamanho e momento magnético do próton.

Ele está envolvido em um próximo experimento JLab que usa violação de paridade para examinar um núcleo muito pesado:chumbo.

"O chumbo tem mais nêutrons do que prótons, "Armstrong disse." Portanto, pode-se esperar que a distribuição de nêutrons em um núcleo de chumbo faça com que eles "se projetem" - formando uma camada externa de nêutrons do lado de fora do núcleo.

"Acontece que a interação fraca é uma ótima maneira de procurar isso, "Ele acrescentou." Porque os nêutrons interagem de maneira diferente dos prótons. "

A pele de nêutrons, ele disse, permanece teórico. Mas ele espera que seu experimento seja o primeiro a confirmá-lo observacionalmente. Seria uma observação importante com implicações cosmológicas.

"Não só nos fala sobre os núcleos, mas também se conecta com coisas de interesse para astrônomos e astrofísicos, "Armstrong explicou." Porque uma estrela de nêutrons nada mais é do que o maior núcleo do universo - e que é dominado por nêutrons. "