Krita upp ytterligare en vinst för Standardmodellen, den anmärkningsvärt framgångsrika teorin som beskriver hur alla kända grundläggande partiklar interagerar.
Fysiker har gjort den mest exakta mätningen ännu av hur starkt den svaga kraften - en av naturens fyra grundläggande krafter - verkar på protonen.
Resultaten, som publicerades idag (9 maj) i tidskriften Nature, är precis vad Standardmodellen förutspådde, och hanterade ännu ett slag för fysikernas ansträngningar att hitta kinks i teorin och upptäcka ny fysik som kan förklara vad mörk materia och mörk energi är .
Trots sina triumfer är standardmodellen ofullständig. Det förklarar inte mörk materia och mörk energi, som tillsammans kan utgöra mer än 95 procent av universum och ändå aldrig har observerats direkt. Teorin innehåller inte heller tyngdkraften eller förklarar varför universum innehåller mer materia än antimateria.
Testa standardmodellen
Ett sätt mot en mer fullständig teori är att testa vad Standardmodellen säger om den svaga kraften, som är ansvarig för radioaktivt förfall, vilket möjliggör kärnreaktioner som håller solen att skina och driver kärnkraftverk. Styrkan hos den svaga krafts interaktioner beror på en partikels så kallade svaga laddning, precis som den elektromagnetiska kraften beror på elektrisk laddning och tyngdkraften beror på massan.
"Vi hoppades bara att det här var en väg att hitta en spricka i standardmodellen," sade Greg Smith, en fysiker vid Jefferson National Accelerator Facility i Virginia och projektledaren för det Q-svaga experimentet.
Forskarna sprängde strålar av elektroner vid en pool av protoner. Elektronernas snurr var antingen parallella eller anti-parallella med strålen. När de kolliderade med protonerna skulle elektronerna spridas, mest på grund av interaktioner som involverar den elektromagnetiska kraften. Men för varje 10.000 eller 100.000 spridningar, sade Smith, hände en via den svaga styrkan.
Till skillnad från den elektromagnetiska kraften följer den svaga kraften inte spegelns symmetri eller paritet, som fysiker kallar det. Så när en växelverkar via den elektromagnetiska kraften sprids en elektron på samma sätt oavsett rotationsriktning. Men när man samverkar via den svaga kraften beror sannolikheten för att elektronen sprider sig någonsin så lätt på om rotationen är parallell eller antiparallell, relativt den riktning som elektronen rör sig.
I experimentet växlade strålen mellan avfyrning av elektroner med parallella och anti-parallella snurrar cirka 1 000 gånger per sekund. Forskarna fann att skillnaden i spridningssannolikhet var bara 226,5 delar per miljard, med en precision på 9,3 delar per miljard. Det motsvarar att två annars identiska Mount Everests skiljer sig i höjd med tjockleken på ett dollarmynt - med en precision ner till bredden på ett människohår.
"Detta är den minsta och mest exakta asymmetri som någonsin har uppmätts i spridningen av polariserade elektroner från protoner," sade Peter Blunden, en fysiker vid University of Manitoba i Kanada som inte deltog i studien. Mätningen, tillade han, är en imponerande prestation. Dessutom visar det att i jakten på ny fysik kan dessa relativt lågenergiförsök tävla med kraftfulla partikelacceleratorer som Large Hadron Collider nära Genève, sade Blunden.
Trots att protonens svaga laddning visade sig vara ganska mycket som Standardmodellen sa att det skulle vara, går inte allt hopp förlorat för att hitta ny fysik en dag. Resultaten begränsar bara hur den nya fysiken kan se ut. Till exempel, sade Smith, utesluter de fenomen som involverar elektron-protoninteraktioner som uppstår vid energier under 3,5 teraelektron volt.
Fortfarande hade det varit mycket mer spännande om de hade hittat något nytt, sa Smith.
"Jag blev besviken", sa han till Live Science. "Jag hoppades på en viss avvikelse, någon signal. Men andra människor var lättade över att vi inte var långt borta från vad Standardmodellen förutspådde."
