Перші прямі виміри "заряду" сил слабких взаємодій протона не принесли несподіваних результатів
Міжнародна група вчених, очолювана вченими з Лабораторії прискорювачів Джефферсона (Jefferson Accelerator Laboratory) американського Міністерства енергетики (U.S. Department of Energy, DOE), провела перші в історії науки прямі вимірювання значення "заряду" сил слабких взаємодій протона. І хоча всі перші прямі виміри фундаментальних величин в більшості випадків призводять до несподіваних результатів, дані, отримані в ході експерименту Q-Weak, вказують на те, виміряне значення "заряду" сил слабких взаємодій протона і нейтрона цілком вписується в існуючу Стандартну Модель фізики елементарних частинок.
Всі частинки впливають один на одного через так звані сили слабкої взаємодії. У деяких частинок цей "заряд" має різні значення, наприклад, у нейтрино він настільки слабкий, що ці загадкові частинки проходять, рухаючись майже на швидкості світла, через товщу твердої матерії, практично не помічаючи цього факту.
"Заряд" сил слабких взаємодій майже аналогічний електричного заряду, тільки на фізичному рівні він визначає здатність даної частинки взаємодіють з іншими частинками. Цей заряд сил слабких взаємодій визначено у Стандартної Моделі і становить близько-0.989 для нейтрона і +0.071 для протона. Зазначені значення представляють собою значення відхилення заряду частинки від заряду електрона, прийнятого за умовну 1.
Сили слабких взаємодій є унікальним видом серед інших видів фундаментальних взаємодій. За їх допомогою порушується паритет явищ симетрії і антисимметрии, чого не відбувається при прояві інших сил. Таким чином, існує можливість виділити і відсіяти прояв тільки сил слабких взаємодій, які можуть бути буквально "затоплені" проявами більш сильних сил.
Вперше прояв ефекту сил слабких взаємодій було помічено в експерименті бета-розпаду Чин-Шиунга Ву (Chien-Shiung Wu), проведеного в 1956 році. Це була перша демонстрація порушення паритету симетрії в слабких взаємодіях. Бета-розпад ядра радіоактивного елемента відбувається в той момент, коли нейтрон перетворюється на протон і відбувається лише завдяки силам слабкої взаємодії.
В експерименті Ву об'єктом інтересу було кутове розподіл електронів, вироблених в результаті бета-розпаду кобальту-60. Бета-промені (електрони) були зроблені слабкими взаємодіями, в той час, як гамма-промені були результатом більш традиційних електромагнітних взаємодій. У ході експерименту було явно показано, що гамма-промені зберігають паритет симетрії, а відмінність кутового розподілу гамма - і бета-променів був явним ознакою порушення паритету. Під час проведення свого експерименту професор Ву спостерігав величезну різницю між розподілом бета - і гамма-променів, що демонструвало той факт, що слабкі взаємодії є джерелом сильних порушень паритету.
У новому експерименті Q-Weak визначення "заряду" сил слабких взаємодій протонів здійснюється методом аналізу розсіювання пучка поляризованих електронів, выбиваемых розігнаними частинками з мішеней, у ролі яких виступають ядра водню, що знаходиться в зрідженому стані. Найбільшою хитрістю в цьому є те, що електрони і протони ядра водню взаємодіють між собою через сили електромагнетизму і сили слабких взаємодій. Природно, електромагнітне взаємодія набагато більш сильно, ніж слабке, але це зберігається доки частинки не віддаляються один від одного на відстань більш аттометра (10^-18 метра). В результаті, велика частина розсіювання потоку електронів відбувається з-за впливу сил електромагнетизму.
Однак, в загальну частку розсіювання потоку електронів вносять свою лепту і сили слабких взаємодій, що порушують паритет симетрії. У випадку експерименту Q-Weak ця частка становила всього одну частину на п'ять мільйонів. Така мала частина з працею піддалася б детектуванню і аналізу, якщо б при порушенні паритету симетрії не відбувалося зміна кута поляризації електронів. Це дозволило вченим досить легко виділити сигнал прояви слабких сил, ізолювати його і провести вимір "заряду" сил слабких взаємодій протона з високою точністю.
Оголошені нещодавно результати експерименту Q-Weak носять поки ще лише попередній характер, Але й тих чотирьох відсотків достовірних даних виявилося достатнім для більш точного визначення "зарядів" сил слабких взаємодій протона і нейтрона, які стали мати значення 0.064(+0.012)- 0.975(+0.010) відповідно, що в принципі близька до значень, що визначається Стандартною Моделлю, які складають 0.071 і-0.989 відповідно. Похибка експериментального вимірювання "заряду" сил слабких взаємодій знаходиться на рівні п'яти відсотків, що є неймовірно чудовим результатом для першого в історії вимірювання такого роду фундаментальної константи.