Kreide einen weiteren Gewinn für das Standardmodell, die bemerkenswert erfolgreiche Theorie, die beschreibt, wie alle bekannten fundamentalen Teilchen interagieren.
Die Physiker haben bisher genau gemessen, wie stark die schwache Kraft - eine der vier Grundkräfte der Natur - auf das Proton wirkt.
Die Ergebnisse, die heute (9. Mai) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, sind genau das, was das Standardmodell vorausgesagt hat. Dies ist ein weiterer Schlag für die Bemühungen der Physiker, Knicke in der Theorie zu finden und neue Physik zu entdecken, die erklären könnte, was dunkle Materie und dunkle Energie sind .
Trotz seiner Erfolge ist das Standardmodell unvollständig. Es erklärt nicht die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, die zusammen mehr als 95 Prozent des Universums ausmachen können und dennoch nie direkt beobachtet wurden. Die Theorie beinhaltet auch nicht die Schwerkraft oder erklärt, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält.
Testen des Standardmodells
Ein Weg zu einer vollständigeren Theorie besteht darin, zu testen, was das Standardmodell über die schwache Kraft sagt, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist und die Kernreaktionen ermöglicht, die die Sonne scheinen lassen und Kernkraftwerke antreiben. Die Stärke der Wechselwirkungen der schwachen Kraft hängt von der sogenannten schwachen Ladung eines Teilchens ab, ebenso wie die elektromagnetische Kraft von der elektrischen Ladung und die Schwerkraft von der Masse abhängt.
"Wir hatten nur gehofft, dass dies ein Weg ist, um einen Riss im Standardmodell zu finden", sagte Greg Smith, Physiker an der Jefferson National Accelerator Facility in Virginia und Projektmanager für das Q-schwache Experiment.
Die Forscher strahlten Elektronenstrahlen auf einen Protonenpool. Die Spins der Elektronen waren entweder parallel oder antiparallel zum Strahl. Bei einer Kollision mit den Protonen würden sich die Elektronen zerstreuen, hauptsächlich aufgrund von Wechselwirkungen, an denen die elektromagnetische Kraft beteiligt ist. Aber für jede 10.000 oder 100.000 Streuung, sagte Smith, geschah eine durch die schwache Kraft.
Im Gegensatz zur elektromagnetischen Kraft gehorcht die schwache Kraft nicht der Spiegelsymmetrie oder Parität, wie es die Physiker nennen. Bei der Wechselwirkung über die elektromagnetische Kraft streut ein Elektron unabhängig von seiner Spinrichtung auf die gleiche Weise. Bei der Wechselwirkung über die schwache Kraft hängt die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron streut, jedoch geringfügig davon ab, ob der Spin parallel oder antiparallel ist, bezogen auf die Richtung, in die sich das Elektron bewegt.
In dem Experiment wechselte der Strahl etwa 1000 Mal pro Sekunde zwischen dem Abfeuern von Elektronen mit parallelen und antiparallelen Drehungen. Die Forscher fanden heraus, dass der Unterschied in der Streuwahrscheinlichkeit lediglich 226,5 Teile pro Milliarde betrug, mit einer Genauigkeit von 9,3 Teilen pro Milliarde. Dies entspricht der Feststellung, dass sich zwei ansonsten identische Mount Everests in der Höhe durch die Dicke einer Dollarmünze unterscheiden - mit einer Präzision bis zur Breite eines menschlichen Haares.
"Dies ist die kleinste und genaueste Asymmetrie, die jemals bei der Streuung polarisierter Elektronen von Protonen gemessen wurde", sagte Peter Blunden, ein Physiker an der Universität von Manitoba in Kanada, der nicht an der Studie beteiligt war. Die Messung sei eine beeindruckende Leistung. Außerdem zeigt es, dass diese relativ energiearmen Experimente auf der Suche nach neuer Physik mit leistungsstarken Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider in der Nähe von Genf konkurrieren können, sagte Blunden.
Obwohl sich herausstellte, dass die schwache Ladung des Protons ziemlich genau so war, wie es das Standardmodell versprochen hatte, ist nicht alle Hoffnung verloren, eines Tages neue Physik zu finden. Die Ergebnisse begrenzen nur, wie diese neue Physik aussehen könnte. Zum Beispiel, sagte Smith, schließen sie Phänomene aus, die Elektronen-Protonen-Wechselwirkungen beinhalten, die bei Energien unter 3,5 Teraelektronvolt auftreten.
Trotzdem wäre es viel aufregender gewesen, wenn sie etwas Neues gefunden hätten, sagte Smith.
"Ich war enttäuscht", sagte er zu Live Science. "Ich hatte auf eine Abweichung gehofft, auf ein Signal. Aber andere waren erleichtert, dass wir nicht weit von den Vorhersagen des Standardmodells entfernt waren."
