Исследователи из Лаборатории Джефферсона (Министерство энергетики США) впервые экспериментально определили слабый заряд протона, нейтрона, а также верхнего и нижнего кварков.

Кварковая структура протона
В Стандартной модели: Значение электромагнитного и слабого зарядов для верхнего кварка (u), нижнего кварка (d), протона (p) и нейтрона (n)
Экспериментальная установка Q-Weak

Значения слабых зарядов были получены на основании анализа новых экспериментальных данных и результатов измерений, опубликованных ранее. Впрочем, авторы обработали только 4% имеющейся информации. Дальнейшие расчеты, которые могут занять около года, позволят определить искомую величину с большей точностью.

Слабое взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной, наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействием. Хотя слабое взаимодействие проявляется только на субатомном уровне, мы можем видеть его плоды в макромире: слабое взаимодействие играет ключевую роль в ядерных реакциях, благодаря ему существует большая часть фонового излучения нашей Вселенной.

Эксперимент Q-weak был разработан международной группой физиков ядерщиков, которые объединились более 10 лет назад, чтобы впервые измерить слабый заряд протона. Не следует путать его с электрическим зарядом. Слабый заряд, обозначаемый Qpw, характеризует величину сил, действующих на протон, который участвует в слабом взаимодействии. Экспериментальное измерение слабого заряда протона стало очередным испытанием для Стандартной модели, предсказывающей его величину.

В ходе эксперимента исследователи направили очень интенсивный пучок продольно поляризованных электронов в емкость с жидким водородом. Те из электронов, которые только вскользь столкнулись с протонами, оставив их невредимыми, отклонились на небольшие углы. Мощные электромагниты направили эти электроны на восемь симметрично расположенных детекторов.

Слабое взаимодействие ничтожно по сравнению с электромагнитным. Условно говоря, на миллион электронов, вступивших с протонами в электромагнитное взаимодействие, приходится лишь один, ограничившийся слабым. Физики зафиксировали столь редкие случаи слабого взаимодействия, используя принципиальное отличие электромагнитных и слабых сил: последние меняют такое свойство физических величин, как пространственная чётность. В мире с «перевернутой» чётностью электроны с правым спином будут вести себя также, как и с левым — но только если речь идет об электромагнитном взаимодействии. Изменив направление поляризации электронного пучка на противоположное и сохранив все прочие параметры эксперимента, ученые могут выделить разницу в результатах, и по этой асимметрии судить об эффекте слабого взаимодействия. Проблема в том, что измерения надо выполнить с высокой точностью — асимметрия так мала, как толщина листа бумаги в сравнении с высотой Эйфелевой башни.

Первоначальный анализ результатов Q-weak показал, что значение Qpw соответствует предсказаниям Стандартной модели. Однако общий объем информации, собранной во время эксперимента, в 25 раз больше того, который уже обработан. Окончательный результат станет более строгой экспериментальной проверкой Стандартной модели.

По пресс-релизу Jefferson Lab