在《自然》中：深入探究弱力的秘密
美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的Q-weak实验的新结果提供了对弱力的精确测试，弱力是自然界四种基本力之一。最近发表在《自然》杂志上的这一结果，也限制了我们目前知识之外的新粒子和新力的可能性。
威廉玛丽大学物理系CEBAF副教授、杰斐逊佳博体育科学家罗杰·卡里尼（Roger Carlini）说：“像这样的精确测量可以作为通往潜在新粒子世界的窗口，否则，这些粒子可能只有使用目前超出我们技术能力范围的极高能量加速器才能观察到。”Carlini是Q-weak合作组织的联合发言人。
Q-weak Collaboration一直都有大量的William & 玛丽团队。除了Carlini，《自然》杂志论文的合著者还包括大卫·阿姆斯特朗，物理学教授；Todd Averett，物理学教授；以及物理学助理教授沃特·德康尼克。
德康尼克指出，威廉与玛丽大学的论文合著者比其他任何一所大学都多。撰稿人包括前博士后研究员Klaus Grimm和Jeong Han Lee以及一批学生。
科学家的训练场
“除了研究成果，Q-weak还是许多早期职业科学家的训练基地，”美国国家科学基金会数学和物理科学理事会助理主任安妮·金尼说。23人在这项实验中获得了博士学位，其中17人得到了美国国家科学基金会（NSF）对美国五所不同大学教师的资助。Q-weak还为近50名获得NSF资助的本科生提供了优秀的培训机会，其中包括几名获得NSF本科生研究经验奖的本科生。”
国家科学基金会是威廉玛丽集团的主要资助者。阿姆斯特朗是美国国家科学基金会（NSF）多机构主要研究仪器拨款97.5万美元的首席研究员。这笔拨款用于开发和建造实验设备的主要部分，即所谓的“跟踪系统”。他解释说，跟踪系统用于确定散射电子的“运动学”——能量、动量和散射角——这是至关重要的。
阿姆斯特朗解释说，跟踪系统的最大组成部分是一组四个非常大的“垂直漂移室”，这是在威廉和玛丽设计，制造和测试。这些精巧的、充满气体的金属丝室很大（8 × 3英尺× 6英寸厚），每个金属丝室都有558根精确定位的头发般细的镀金钨丝，用来检测通过它们的电子。
阿姆斯特朗说：“每个腔室重约半吨，四个腔室的组合安装在一个定制的组件上，使它们能够精确地旋转进出测量位置。”“这些房间的定制读出电子设备是由威廉玛丽和杰斐逊佳博体育设计的。”
阿姆斯特朗说，Q-weak为六名威廉与玛丽学院的学生提供了博士论文题目，预计今年还将有两名学生毕业。研究生合作作者名单包括Kurtis Bartlett、Juan Carlos Cornejo、James F. Dowd、Valerie M. Gray、Joshua R. Hoskins、John Leckey、Joshua A. Magee和杨思远。
此外，阿姆斯特朗说，多年来，十几名威廉玛丽大学的本科生也为这项实验做出了贡献。其他本科生则是通过艾伦提到的REUs了解到Q-weak的。REUs是一个邀请其他学院和大学的学生在威廉玛丽大学暑期参与一个项目的项目。
记住芬恩教授
已故的J. Michael Finn教授也是这篇论文的作者之一。芬恩和阿姆斯特朗从2000年开始就参与了弱q实验。
阿姆斯特朗说：“他是这个实验最初的发言人之一，也是这个概念的开发者之一。”“不幸的是，他于2009年1月去世，当时实验正在进行中。”
Q-weak研究的目的是更好地理解弱力。它是自然界的四种基本力之一，其他三种是引力、电磁力和强作用力。强作用力是科学家们对将原子核聚集在一起的相互作用的称呼。
虽然弱作用力很难直接观察到，但它的影响在我们的日常世界中是可以感受到的。例如，弱力引发了一系列的反应，为太阳提供能量。它还为放射性衰变提供了一种机制，这种机制可以部分加热地核，也使医生无需手术就能检测体内疾病。
揭露弱力的秘密
现在，q弱合作揭示了弱力的一个秘密：它对质子的精确控制强度。他们通过高精度地测量质子的弱电荷来做到这一点，他们使用JLab的连续电子束加速器设施（美国能源部科学用户设施办公室）提供的高质量光束进行探测。
Kinney说：“经过十多年的仔细研究，Q-weak不仅为标准模型提供了信息，它还表明，极高的精度可以使中等能量的实验达到与科学上最大的加速器相当的结果。”“这种精度对于寻找超越标准模型的物理学非常重要，在标准模型中，新的粒子效应可能会表现为极其微小的偏差。”
为了测量质子的弱电荷，一束强电子束被引导到一个含有冷液态氢的目标上，然后从这个目标上散射的电子被一个精确的、定制的测量仪器检测到。
q弱实验的关键是电子束中的电子是高度极化的——在加速之前就已经准备好了，大部分是在一个方向上“旋转”，与电子束方向平行或反平行。随着偏振方向以可控的方式迅速逆转，实验人员能够抓住弱相互作用的奇偶性（类似于镜像对称）破坏的独特性质，以便将其微小影响隔离到高精度：在两束偏振状态下测量了大约千万分之二的不同散射率。
它完全符合标准模型
发现质子的弱电荷值与标准模型的预测非常吻合，标准模型考虑了所有已知的亚原子粒子和作用于它们的力。由于质子的弱电荷在这个模型中得到了如此精确的预测，新的弱q结果为迄今为止未观测到的重粒子的预测提供了洞见。
例如，Q-weak的结果对轻夸克存在的可能性设定了限制，轻夸克是一种假设的粒子，它可以逆转两大类非常不同的基本粒子的身份——将夸克（核物质的组成部分）转变为轻子（电子及其更重的对偶），反之亦然。
“这是互补的信息。因此，如果他们在未来的大型强子对撞机上发现新物理学的证据，我们可以帮助确定它可能是什么，从我们在这篇论文中已经设定的限制中，”杰斐逊佳博体育科学家和q弱项目经理格雷格史密斯说。
Q-weak合作由大约100名科学家和20多个机构组成。这项实验由美国能源部科学办公室、国家科学基金会、加拿大自然科学与工程研究理事会和加拿大创新基金会资助，一些合作机构也提供了相应的实物捐助。
杰斐逊佳博体育是由美国能源部科学办公室支持的。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者，正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。更多信息，请访问science.energy.gov。
