În urma unui experiment inovator, fizicienii din echipa Jefferson Lab Q-weak Collaboration au reuşit să măsoare cu precizie, pentru prima dată, forţa dintre electroni şi protoni, adică forţa nucleară slabă.

Modelul Standard al fizicii particulelor include patru forţe fundamentale pe baza cărora se explică interacţiunile descoperite în Univers până în prezent.

Cele patru forţe fundamentale din fizica modernă sunt forţa gravitaţională, forţa electromagnetică, forţa nucleară slabă şi forţa nucleară tare.

Fizicienii cred că toate aceste forţe au provenit dintr-o singură forţă fundamentală care a acţionat în Universul timpuriu şi această concepţie stă la baza teoriilor de unificare a forţelor din fizica modernă.

Forţa gravitaţională este o forţă de atracţie care acţionează între toate obiectele care au masă, iar intensitatea acesteia este cea mai mică dintre toate cele patru forţe fundamentale. Forţa gravitaţională are o rază lungă de acţiune în comparaţie cu cele două forţe nucleare.

Forța electromagnetică este responsabilă pentru transmiterea luminii şi a celorlalte forme de radiaţii ale spectrului electromagnetic. Şi această forţă fundamentală are o rază lungă de acţiune în comparaţie cu forţele nucleare.

Purtătorul radiaţiei electromagnetice este fotonul, care este responsabil pentru câmpurile electrice și magnetice ce sunt create prin schimbul de fotoni dintre particulele încărcate electric.

Forţa electromagnetică este cea care menţine legătura dintre atomii şi moleculele ce formează materia, structura corpurilor datorându-se legăturilor chimice care rezultă ca urmare a interacţiunilor electromagnetice dintre electronii şi protonii atomilor din interiorul materiei.

Forța nucleară tare menţine laolaltă quarcurile şi gluonii ce formează barionii, printre care se numără şi protonii şi neutronii din nucleul atomic.

Gluonul produce forța nucleară tare care leagă quarcurile pentru a forma protoni și neutroni. Forţa nucleară tare ţine la un loc protonii şi neutronii care pot forma nuclee mai grele.

Forța nucleară slabă este responsabilă pentru fenomenul de dezintegrare radioactivă şi cu transformarea neutronului în proton, care produce, de asemenea, un electron şi un antineutrino (dezintegrare beta-minus).

Forţa nucleară slabă are o intensitate mult mai mică decât forţa electromagnetică şi din acest motiv măsurarea cu precizie a acesteia a reprezentat o provocare pentru fizicieni, a declarat Ross Young de la University of Adelaide.

Cu toate acestea, fizicienii au reuşit recent să măsoare cu precizie forţa nucleară slabă ajutaţi fiind de o descoperire care a fost făcută în anii 1950.

În fizică simetria se referă, în general, la invarianța față de o anumită transformare. O simetrie a unui sistem fizic reprezintă o caracteristică fizică sau matematică, observată sau intrinsecă, care se conservă sau rămâne neschimbată sub acțiunea unei anumite transformări.

Astfel, simetria CP (sarcină-paritate) prevede că barionii din materia obişnuită se comportă exact la fel precum omologii lor din antimaterie. Orice încălcare a acestei simetrii ar însemna că legile fizicii nu sunt aceleași pentru materie şi antimaterie.

Interacțiunea nucleară slabă este singura interacţiune fundamentală care încalcă simetria de paritate P, deoarece acţionează aproape exclusiv asupra particulelor de o anumită chiralitate.

Tocmai această caracteristică a interacţiunii slabe, încălcarea simetriei P, a stat la baza experimentului având drept scop măsurarea forţei nucleare slabe.

Interacţiunea nucleară slabă

Interacţiunea nucleară slabă. Credit: raspirator/istock

Spinul electronilor, sau impulsul unghiular al acestora, provoacă o deviere caracteristică a electronilor sub influenţa protonilor, în funcţie de direcţia de spin a electronilor.

„Diferențe privind devierea electronilor, în funcţie de spinul acestora, au fost observate la mai puțin de 300 de electroni dintr-un miliard de electroni împrăștiați.

Prin măsurarea cu precizie a acestor deviaţii, am reușit să determinăm sarcina protonului în urma interacţiunii nucleare slabe”, a declarat Young.

Rezultatele experimentului sunt în concordanță cu predicţiile Modelului Standard din fizica particulelor.

„Dacă rezultatele măsurătorilor noastre ar fi fost diferite faţă de predicțiile Modelului Standard, atunci ele ar fi fost un indiciu privind existenţa unui nou tip de forță, necunoscută anterior, care acționează între particulele fundamentale”, a declarat Young .

Metoda utilizată de cercetători în acest experiment, pentru măsurarea forţei nucleare slabe, s-ar putea dovedi extrem de valoroasă pentru studiul altor interacţiuni fundamentale care urmăresc, printre altele, elaborarea unei teorii cuantice a gravitaţiei şi înţelegerea energiei întunecate.

Cercetarea a fost publicată în Nature.

 Sursă: Science Alert