Физики впервые измерили слабый заряд протона

Экспериментальная установка, на которой были получены результаты
Фото JLab

Физики впервые провели экспериментальное измерение слабого заряда протона. Статья ученых принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе Лаборатории Джефферсона (Jefferson Lab), где и было сделано открытие.

Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий. За исключением гравитационного три из этих взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное) описываются теорией, называемой Стандартной моделью. Слабое взаимодействие несет ответственность за некоторые типа ядерного распада, а также взаимодействие между частицами внутри атомов.

Слабым зарядом протона в Стандартной модели величина, обозначаемая через QWp. Для слабого взаимодействия она исполняет роль аналога электрического заряда для электромагнитного взаимодействия, определяя, в частности, насколько «активно» протон участвует в слабом взаимодействии.

Для измерения слабого заряда ученые действовали следующим образом: они направляли поток высокоэнергетических электронов на жидкий водород. Электроны рассеивались на протонах в ядрах водорода и при помощи мощных магнитов направлялись на детекторы. Частицы в потоке были поляризованы определенным (перпендикулярным направлению движения) образом - то есть спины электронов были согласованы.

Электромагнитное взаимодействие сильнее слабого, поэтому, по словам ученых, со статистической точки зрения можно считать так: на каждый миллион электронов, рассеивание которых на протонах обусловлено электромагнетизмом, приходится ровно один, рассеяние которого определяется слабым взаимодействием.

Чтобы отделить в статистике сигнал от слабого взаимодействия от электромагнитного «шума», во время эксперимента поляризация потока электронов несколько раз менялась. Дело в том, что слабое взаимодействие нарушает так называемую P-симметрию. Это означает, что при замене всех направлений в уравнениях, отписывающих это взаимодействие, на противоположные уравнения, результат меняется - то есть разным образом поляризованные электроны будут разным образом взаимодействовать с протонами.

Проделав опыт множество раз, ученые получили достаточно статистических данных, чтобы вычислить слабый заряд протона. Как оказалось, полученный результат согласуется с теоретическими предсказаниями (в отличие от некоторых других параметров Стандартной модели QWp там вычисляется явно) с относительной погрешностью в несколько сотен миллиардных.

В настоящее время ученые продолжают анализ собранных данных. Они надеются, что им удастся улучшить результат не несколько порядков. Примечательно, что в ходе работы были также измерены слабые заряды нейтрона, u- и d-кварков.