Primeira medição experimental da carga fraca do próton


Carga Fraca do Proton é Medida pela Primeira Vez

Q-weak at Jefferson Lab has measured the proton's weak charge
O Q-weak do Jefferson Lab mediu a carga fraca do próton.

NEWPORT NEWS, Virgínia, 17 de setembro de 2013 — Pesquisadores realizaram a primeira medição experimental da carga fraca do próton em uma pesquisa realizada na Instalação Nacional do Acelerador de Partículas Thomas Jefferson do Departamento de Energia do Governo dos EUA (Jefferson Lab).

Os resultados, aceitos para publicação em Physical Review Letters, também inclui medições da carga fraca do nêutron e dos quarks up e down. Essas medições foram feitas mediante a combinação dos novos dados obtidos com dados publicados por outros experimentos. Embora estas medições preliminares sejam as medições mais precisas até hoje feitas, elas foram obtidas a partir da análise de apenas 4% do total dos dados coletados pelo experimento; a análise completa dos dados deverá levar mais um ano para ser completada.

A força fraca é uma das quatro forças fundamentais do nosso universo, junto com a gravidade, o eletromagnetismo e a força forte. Muito embora a força fraca só atue no nível subatômico, seus efeitos podem ser observados em nosso mundo do dia a dia. A força fraca desempenha um papel fundamentas nas reações nucleares que ocorrem dentro das estrela e são responsáveis por grande parte da radiação natural existente no universo.

O experimento Q-weak foi projetado por um grupo internacional de físicos nucleares que se reuniram há mais de uma década para propor uma nova medição no Jefferson Lab. Eles propuseram a primeira medição direta da carga fraca do próton, denotada pelo símbolo qpw – ou seja, a intensidade do puxão exercido pela força fraca dentro do próton, ou, em outras palavras, o quanto o próton interage através da força fraca. Uma vez que a carga fraca do próton é uma quantidade precisamente prevista pelo Modelo Padrão – o arcabouço teórico (porém bem testado) que descreve as partículas elementares e detalha como elas interagem – ela se torna um parâmetro ideal para medir experimentalmente a exatidão do Modelo Padrão.

Para realizar o experimento, os cientistas direcionaram um feixe muito intenso de elétrons para dentro de um contentor de hidrogênio líquido. Os elétrons foram polarizados longitudinalmente (girando ao longo ou em sentido contrário de seu movimento). Os elétrons que apenas resvalavam nos prótons (dispersão elástica, onde o próton permanece intacto), emergiam em pequenos ângulos e eram defletidos por poderosos eletromagnetos em oito detectores simetricamente dispostos.

A força fraca é muito mais fraca do que a eletromagnética. Em termos clássicos, se pode pensar nisso como para cada milhão de elétrons que interajam com os prótons através da força eletromagnética, apenas um vai interagir através da força fraca. Os físicos mediram essas poucas interações fracas, explorando uma importante diferença entre as duas forças – a força fraca viola um tipo de simetria conhecido como paridade, pela qual nosso universo “destro”, mediante a rotação de todas as direções espaciais, se torna “canhoto”. Em um mundo de paridade oposta, os elétrons que giram com seus eixos ao longo da direção de seu movimento, interagem como os prótons através da força eletromagnética, com a mesma intensidade. Quando a interação é através da força fraca, os elétrons com spin “destrógiro” interagem de forma diferente dos “levógiros”. Quando se mantém todos os demais parâmetros do experimento inalterados e somente a polarização do feixe de elétrons é revertida, os cientistas podem usar a diferença, ou “assimetria” das medições entre as duas polarizações para isolar o efeito da interação fraca. A meta é medir esta diferença, na faixa de ~200 partes por bilhão, tão precisamente como possível. Essa precisão é equivalente a medir a espessura de uma folha de papel no alto da Torre Eifel.

A análise inicial dos dados da experiência Q-weak deram um valor para qpw que está bem de acordo com a previsão do Modelo Padrão. No entanto, a colaboração dispõe de 25 vezes mais dados do que os usados nessa medição inicial. O resultado final deverá fornecer um rigoroso teste experimental para o Modelo Padrão, fornecendo novas restrições para a nova física nas escalas de energia que estão sendo exploradas no LHC do CERN.

“Os leitores devem encarar esses resultados primeiramente como uma medição da carga fraca do próton. Nossa publicação definitiva será focalizada nas implicações a respeito de potenciais novidades na física”, diz Roger Carlini, um cientista do staff do Jefferson e porta-voz da colaboração Q-weak.

O experimento Q-weak foi originalmente aprovado em janeiro de 2002. Um período de instalação de quase um ano, começou em 2009, seguido por um período de dois anos de coleta de dados de 2010 a 2012.

Várias conquistas técnicas na década passada tornaram este experimento possível. Estas incluem o feixe de elétrons de alta corrente, alta polarização e extremamente estável produzido pelo Acelerador Contínuo de Feixe de Elétrons do Jefferson Lab; o alvo de hidrogênico criogênico com a maior potência no mundo; detectores Cerenkov com extrema resistência à radiação; circuitos eletrônicos com ruído ultra baixo para a leitura dos sinais e medição precisa da corrente do feixe; e um sistema que mede a polarização do feixe com uma precisão melhor que 1%, usando um laser backscatter. Estas inovações técnicas permitiram a obtenção de uma incerteza assombrosamente pequena de 47 partes por bilhão para os dados divulgados até agora.

A colaboração Q-weak consiste de 97 pesquisadores de 23 instituições nos EUA, Canadá e Europa. O experimento foi financiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia do governo dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e pelo Conselho de Pesquisas de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá. Também contribuíram as seguintes universidades: The College of William and Mary, Virginia Tech, George Washington University e Louisiana Tech University. Apoio técnico de TRIUMF, MIT/Bates e Jefferson Lab.

Os resultados serão publicados na edição de 13 de outubro (online) e 18 de outubro (impressa) da Physical Review Letters.

 

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