Международная группа ученых, возглавляемая учеными из Лаборатории ускорителей Джефферсона (Jefferson Accelerator Laboratory) американского Министерства энергетики (U.S. Department of Energy, DOE), произвела первые в истории науки прямые измерения значения «заряда» сил слабых взаимодействий протона. И хотя все первые прямые измерения фундаментальных величин в большинстве случаев приводят к неожиданным результатам, данные, полученные в ходе эксперимента Q-Weak, указывают на то, измеренное значение «заряда» сил слабых взаимодействий протона и нейтрона вполне вписывается в существующую Стандартную Модель физики элементарных частиц.
Все частицы оказывают влияние друг на друга через так называемые силы слабого взаимодействия. У некоторых частиц этот «заряд» имеет различные значение, к примеру, у нейтрино он настолько слаб, что эти загадочные частицы проходят, двигаясь почти на скорости света, через толщу твердой материи, практически не замечая этого факта.
«Заряд» сил слабых взаимодействий почти аналогичен электрическому заряду, только на физическом уровне он определяет способность данной частицы взаимодействовать с другими частицами. Этот «заряд» сил слабых взаимодействий определен в Стандартной Модели и составляет около -0.989 для нейтрона и +0.071 для протона. Указанные значения представляют собой значения отклонения заряда частицы от заряда электрона, принятого за условную 1.
Силы слабых взаимодействий являются уникальным видом среди других видов фундаментальных взаимодействий. При их помощи нарушается паритет явлений симметрии и антисимметрии, чего не происходит при проявлении других сил. Таким образом, существует возможность выделить и отсеять проявление только сил слабых взаимодействий, которые могут быть буквально «затоплены» проявлениями более сильных сил.
Впервые проявление эффекта сил слабых взаимодействий было замечено в эксперименте бета-распада Чин-Шиунга Ву (Chien-Shiung Wu), проведенного в 1956 году. Это была первая демонстрация нарушение паритета симметрии в слабых взаимодействиях. Бета-распад ядра радиоактивного элемента происходит в тот момент, когда нейтрон превращается в протон и происходит только благодаря силам слабого взаимодействия.
В эксперименте Ву объектом интереса было угловое распределение электронов, произведенных в результате бета-распада кобальта-60. Бета-лучи (электроны) были произведены слабыми взаимодействиями, в то время, как гамма-лучи являлись результатом более традиционных электромагнитных взаимодействий. В ходе эксперимента было явно показано, что гамма-лучи сохраняют паритет симметрии, а различие углового распределения гамма- и бета-лучей был явным признаком нарушения паритета. Во время проведения своего эксперимента профессор Ву наблюдал огромную разницу между распределением бета- и гамма-лучей, что демонстрировало тот факт, что слабые взаимодействия являются источником сильных нарушений паритета.
В новом эксперименте Q-Weak определение «заряда» сил слабых взаимодействий протонов осуществляется методом анализа рассеивания луча поляризованных электронов, выбиваемых разогнанными частицами из мишеней, в роли которых выступают ядра водорода, находящегося в сжиженном состоянии. Самой большой хитростью в этом является то, что электроны и протоны ядра водорода взаимодействуют между собой через силы электромагнетизма и силы слабых взаимодействий. Естественно, электромагнитное взаимодействие гораздо более сильно, нежели слабое, но это сохраняется покуда частицы не удаляются друг от друга на расстояние более аттометра (10^-18 метра). В результате, большая часть рассеивания потока электронов происходит из-за воздействия сил электромагнетизма.
Однако, в общую долю рассеивания потока электронов вносят свою лепту и силы слабых взаимодействий, нарушающих паритет симметрии. В случае эксперимента Q-Weak эта доля составляла всего одну часть на пять миллионов. Такая малая часть с трудом поддалась бы детектированию и анализу, если бы при нарушении паритета симметрии не происходило изменение угла поляризации электронов. Это позволило ученым достаточно легко выделить сигнал проявления слабых сил, изолировать его и произвести измерение «заряда» сил слабых взаимодействий протона с высокой точностью.
Объявленные недавно результаты эксперимента Q-Weak носят пока еще только предварительный характер, Но и тех четырех процентов достоверных данных оказалось достаточным для более точного определения «зарядов» сил слабых взаимодействий протона и нейтрона, которые стали иметь значения 0.064(+0.012) и -0.975(+0.010) соответственно, что в принципе близко к значениям, определяемым Стандартной Моделью, которые составляют 0.071 и -0.989 соответственно. Погрешность экспериментального измерения «заряда» сил слабых взаимодействий находится на уровне пяти процентов, что является неимоверно замечательным результатом для первого в истории измерения такого рода фундаментальной константы.
Источник: