De la armonizarea aripilor fluturilor până la repetarea modelului hexagonal al fulgilor de zăpadă, simetria îşi arată prezenţa în întreaga natură, până la cele mai mici blocuri constitutive ale materiei. De la descoperirea quarcurilor, cărămizile ce formează protonii şi neutronii, fizicienii au folosit aceste simetrii pentru a studia proprietăţile intrinseci ale quarcurilor şi a descoperi ceea ce aceste proprietăţi ne pot spune despre legile fizice care le guvernează.
Un experiment recent desfăşurat la Jefferson Lab a furnizat o nouă determinare a unei proprietăţi intrinseci a quarcurilor care este de cinci ori mai precisă decât măsurătorile precedente.
Rezultatul a stabilit, de asemenea, noi limite, într-un anumit fel complementare acceleratoarelor de înaltă energie, ca de exemplu Large Hadron Collider (Marele Accelerator de Hadroni) de la CERN, pentru energiile de care cercetătorii au nevoie pentru a face fizică dincolo de Modelul Standard. Modelul Standard este o teorie bine verificată, care, excluzând gravitaţia, descrie particulele subatomice şi interacţiunile lor, iar fizicienii cred că a iscodi dincolo de Modelul Standard poate ajuta la rezolvarea multor întrebări fără răspuns despre originile şi fundamentele Universului nostru. Rezultatul a fost publicat în numărul din 6 februarie al revistei Nature.
Experimentul a sondat proprietăţile simetriei în oglindă a quarcurilor. În simetria în oglindă caracteristicile unui obiect rămân aceleaşi chiar dacă obiectul este rotit ca şi cum s-ar reflecta într-o oglindă.
Simetria în oglindă a quarcurilor poate fi verificată prin măsurarea interacţiunilor lor cu alte particule prin intermediul forţelor fundamentale. Trei din cele patru forţe care mediază interacţiunea quarcurilor cu alte particule - gravitaţia, electromagnetismul şi forţa tare - păstrează simetria în oglindă. Însă forţa slabă - a patra forţă - nu o păstrează. Aceasta înseamnă că proprietăţile intrinseci ale quarcurilor care determină cum interacţionează ei prin intermediul forţei slabe (numit cuplaj slab) diferă, de exemplu, faţă de sarcina electrică pentru forţa electromagnetică, sarcina culoare pentru forţa tare şi masa pentru gravitaţie.
La Jefferson Lab’s Experimental Hall A, experimentatorii au măsurat ruperea simetriei în oglindă a quarcurilor printr-un proces de împrăştiere inelastică. Un fascicul de electroni de 6.067 miliarde de electronvolţi a fost trimis către nuclei de deuteriu, izotop al hidrogenului care conţine un proton şi un neutron (şi deci un număr egal de quarcuri up şi down).
Când avem o împrăştiere inelastică, impulsul purtat de electron pătrunde în nucleu şi îl sparge", spune Xiaochao Zheng, profesor asociat la University of Virginia şi purtător de cuvânt pentru colaborarea care conduce experimentul.
Pentru a produce efectul de a vedea quarcurile într-o oglindă, jumătate dintre electronii trimişi către deuteriu au fost aleşi să se rotească de-a lungul direcţiei de deplasare (ca un şurub cu filet pe dreapta), iar cealaltă jumătate se roteau în direcţie opusă. Cercetătorii au identificat circa 170.000 de milioane de electroni care au interacţionat cu quarcuri în nuclee atât prin forţa electromagnetică, cât şi prin forţa slabă într-o perioadă de două luni de desfăşurare a experimentului.
"Acest lucru poartă numele de măsurătoare inclusivă, ceea ce înseamnă că tu măsori numai electronii împrăştiaţi. Astfel că noi am folosit ambele spectrometre, dar fiecare a detectat electroni independent de celălalt. Provocarea este să identificăm electronii imediat ce apar", spune Zheng.
Experimentatorii au găsit o asimetrie, sau o diferenţă, în numărul de electroni ce au interacţionat cu ţinta când se roteau într-o direcţie comparativ cu cealaltă. Această asimetrie se datorează forţei slabe dintre electron şi quarcuri în ţintă. Forţa slabă căreia au fost supuse quarcurile are două componente. Una este analoagă sarcinii electrice şi a fost bine măsurată în experimentele anterioare. Cealaltă componentă, referitoare la spinul quarcului, a fost bine izolată pentru prima dată în experimentul de la Jefferson Lab.
Concret, rezultatele prezente au condus la stabilirea combinaţiei efective de cuplaj slab 2C2u–C2d electron-quarc, care este de cinci ori mai precisă decât s-a măsurat anterior. Acesta cuplaj particular descrie cât de mult din ruperea simetriei în oglindă a interacţiunii electron-quarc se datorează preferinţei spinului quarcului în interacţiunea slabă. Noul rezultat este primul care să arate că această combinaţie este non-zero, aşa cum este prezisă de Modelul Standard.
Ultimul experiment care să abordeze această combinaţie de cuplaj a fost E122 la SLAC National Accelerator Laboratory. Datele de la acest experiment au fost folosite pentru stabilirea noului Model Standard, teoretizat cu mai mult de 30 de ani în urmă.
Acordul bun între noile rezultate 2C2u–C2d şi Modelul Standard indică de asemenea că experimentatorii trebuie să atingă limite mai înalte de energie pentru a putea găsi noi interacţiuni dincolo de Modelul Standard referitoare la încălcarea simetriei în oglindă datorită spinului quarcurilor. Noile limite de 5.8 şi 4.6 trilioane de electronvolti sunt în gama lui Large Hadron Collider de la CERN, dar caracteristica spin furnizată de acest experiment nu poate fi clar identificată în experimente ale acceleratoarelor.
Între timp cercetătorii intenţionează să extindă acest experiment în următoarea eră a cercetărilor la Jefferson Lab. Urmare unei invitaţii de a rafina şi mai mult cunoaşterea referitoare la ruperea simetriei în oglindă a quarcurilor, experimentatorii vor folosi acceleratorul modernizat de la Jefferson Lab pentru a dubla energia fasciculului de electroni, reducând erorile experimentale şi îmbunătăţind precizia măsurătorilor de la cinci până la zece ori mai mult decât a celor actuale. Experimentul va fi programat după finalizarea modernizării în 2017.
Traducere de Marian Stănică după quarks-in-the-looking-glass, cu acordul editorului.
