弱力：没有它，生命就无法存在
大卫·阿姆斯特朗研究了自然界中普遍存在的一种现象，但只有少数非科学家知道它是什么。
它被称为弱力，或者弱相互作用。阿姆斯特朗最近被任命为2018年美国物理学会会员。他的获奖感言中写道，这一荣誉是基于“他在一个长期的研究项目中所发挥的领导作用，该项目以描述和理解核物理中弱力和违反宇称现象的作用为中心。”
“这是一项重大的职业荣誉。威廉玛丽物理系主任克里斯托弗·d·卡罗内（Christopher D. Carone）说：“每年当选的院士人数不超过美国物理学会会员总数的0.5%。”
目前，威廉与玛丽学院大约30%的常规物理教员是APS研究员。我期待着看到这一比例在未来几年显著增长！”•卡补充道。
阿姆斯特朗于1994年来到威廉玛丽律师事务所。现在，作为校长的物理学教授，他在小大厅和杰斐逊佳博体育工作，在那里他合作进行了许多粒子物理实验，其中大部分涉及弱力。当阿姆斯特朗向不懂物理的人谈论他的工作时，他首先解释说，弱力是保持宇宙运行的四种基本相互作用之一。
阿姆斯特朗说：“我们大多数人都很熟悉其中的两个。“重力：它使行星围绕太阳运行，并使我们与地球保持联系。电和磁：从麦克斯韦开始，我们就知道它们是同一种力的两个方面。我们对这些都很熟悉，电磁是电子保持在原子核周围轨道上的原因。基本上，所有的化学反应都源于电和磁。”
他说，普通民众不太熟悉的是两种核力量。强力将质子和中子（以及它们的组成夸克）聚集在原子核中。最后一种，也是我们最不熟悉的一种基本相互作用是弱力，它导致了某些类型的放射性衰变。
阿姆斯特朗说：“与其他相互作用不同的是，我不能给你一个例子，说明什么东西是由弱力结合在一起的。”“但弱力非常重要，因为没有它，生命就不会存在。”
他指出，太阳中氢原子相互融合形成氦的聚变过程就是弱力作用的一个例子。这个反应链的关键一步是通过弱力发生的，所以实际上是弱力驱动了太阳的核炉。
“如果弱相互作用比现在强得多，那么太阳几年前就会燃烧殆尽，”他说。“如果弱相互作用更弱，那么太阳就不会被点燃。”
他解释说：“某些类型的放射性衰变通常在医学成像等领域很有用，它们是通过弱相互作用发生的。”
他早期的研究涉及一种叫做μ子的粒子，他把它称为“电子寿命短、质量更重的姐妹”。（“我不知道为什么，但我觉得介子是雌性的，”他说。）
介子的质量是电子的200倍，但它能做电子能做的一切。例如，阿姆斯特朗说，物理学家可以制造出一种原子，其中的介子取代了电子。这种转换角色的能力源于弱交互所特有的特性。
阿姆斯特朗说：“它允许粒子变形——改变它们的性质。”“μ子将通过弱相互作用衰变成其他粒子。介子通常会衰变成一个电子和几个中微子。”
介子的弱力驱动的变形超能力使它能够与原子核相互作用，将质子转化为中子，并伴有一些中微子的变化。
“所以我的很多研究最初都是基于对原子核中质子和中子的弱相互作用的理解，”他说。
25年前，在他来到JLab和William & 玛丽之后不久，他意识到有机会利用他对μ子弱力的研究，并将其应用于μ子更苗条的兄弟电子的弱力。
阿姆斯特朗是Qweak Collaboration的一员，这是一个由科学家组成的团队，他们首次在能源部的JLab设施中直接测量了质子的弱电荷。在他最近的工作中，阿姆斯特朗在他的实验中使用了弱力特有的另一种性质。
“它违反了一种叫做宇称的自然对称性，”他解释说。“对称性在物理学中极其重要；它们告诉我们发生了一些根本性的事情。”
当一个系统的“镜像”（其中所有的正负号都改变了）与原始系统相同时，奇偶性就存在了。宇称是引力、电磁力和强作用力的一种属性——很长一段时间以来，宇称被认为是宇宙的普遍属性。
“在20世纪50年代，我们发现情况并非如此，仅仅是因为弱相互作用，”阿姆斯特朗说。如果你在镜子里的倒影显示出，比如说，多了一根手指，那就很奇怪了，尤其是当你低头看自己的手时，没有看到新的手指。这是宇称破坏的类比，但不是完全的：不像镜子里多了一个小指，弱力中的宇称破坏是完全自然的。
而且，对科学家来说，弱力的奇一宇称地位给阿姆斯特朗和其他物理学家提供了一个超越标准模型，追求新物理学的切入点。这种追求包括对弱力和其他超出日常感知的领域的研究，如引力波、中微子和夸克。
除了在JLab进行的Q-Weak实验外，阿姆斯特朗还研究了构成质子和中子的夸克。标准模型中的基本粒子有六种夸克，它们有一组不同寻常的名字：顶、底、上、下、奇异和迷人。
“我可以通过它们的弱相互作用来识别不同种类的夸克，”他说。上下夸克是物质的基本组成部分，当它们聚集成质子和中子时，阿姆斯特朗和他的合作者能够利用弱力来了解奇异夸克对质子大小和磁矩的贡献。
他参与了JLab即将进行的一项实验，该实验使用宇称违反来检查一个非常重的原子核：铅。
“铅的中子比质子多，”阿姆斯特朗说。“因此，人们可能会期望中子在铅核中的分布会使它们‘突出’——在核的外面形成一个中子皮。
“事实证明，弱相互作用是寻找这种现象的好方法，”他补充说。“因为中子与质子的相互作用不同。”
他说，中子表皮还停留在理论阶段。但他希望他的实验将是第一个在观测上证实这一点的实验。这将是具有宇宙学意义的重要观测结果。
阿姆斯特朗解释说：“它不仅告诉我们原子核，而且还与天文学家和天体物理学家感兴趣的事情联系在一起。”“因为中子星只不过是宇宙中最大的原子核，而且是由中子主导的。”
