Er naturen udelukkende venstrehåndet? Forskere studerer afkølede atomer for at finde ud af det

Studiet af, hvordan atomer radioaktivt henfalder, har spillet en afgørende rolle i udviklingen af ​​standardmodellen, vores moderne forståelse af vores univers' udvikling siden Big Bang. Eksperimenter, der undersøger en form for henfald, hvor en radioaktiv kerne udsender en beta-partikel for at blive mere stabil, har ført til revolutionerende ideer, der er en del af standardmodellen. Det mest overraskende resultat af beta-henfald er, at naturen ikke er tosidig, men er "venstrehåndet". Handedness refererer til en beta-partikels spin; hvis du krøller fingrene på din venstre hånd for at følge spindet og din tommelfinger peger langs bevægelsesretningen, beta-partiklen er venstrehåndet. Ingen højrehåndede beta-partikler er nogensinde blevet observeret.

Forskere producerede en ren prøve af atomer, som forfaldt, og målte derefter beta-partikelspindet mere præcist, end det blev gjort tidligere. De fandt ingen højrehåndede partikler, styrker påstanden om, at naturen er venstrehåndet og giver forskerne en teknik til forbedret søgning efter højrehåndede partikler samt test af andre aspekter af standardmodellen.

Brug af lasere og magnetiske felter, forskere er nu i stand til at suspendere skyer af atomer i et lille volumen i rummet og polarisere dem med meget høj effektivitet. Disse teknikker giver en ideel kilde til kortlivede atomer, gør det muligt at måle beta-spin med stor præcision. Ved at sammenligne de observerede værdier med deres standardmodelforudsigelse, sådanne målinger er følsomme over for en bred vifte af "ny fysik" forudsagt af potentielle efterfølgere til standardmodellen.

Studiet af, hvordan atomer radioaktivt henfalder, har spillet en afgørende rolle i udviklingen af ​​standardmodellen, vores moderne forståelse af de grundlæggende kræfter og partikler, der styrer vores univers. En af måderne hvorpå en kerne henfalder, kendt som beta-henfald, er forårsaget af den svage kernekraft. I en variant af denne proces, en proton i kernen bliver til en neutron, hvilket resulterer i, at en beta-partikel (nu kendt for at være en anti-elektron) og en neutrino udsendes. Eksperimenter, der undersøger beta-henfald, har ført til en række revolutionerende ideer, der er blevet hjørnestenene i standardmodellen. Den måske mest overraskende og oplysende af disse kom fra et eksperiment fra 1957, der så på asymmetrien af ​​betaer, der udsendes i forhold til det oprindelige nukleare spin af polariseret kobolt-60:det demonstrerede det opsigtsvækkende faktum, at naturen ikke er ambidextrous, men ser snarere ud til at være "venstrehåndet". Handedness refererer til orienteringen af ​​en partikels spin; hvis du krøller fingrene på din venstre hånd for at følge spindet og din tommelfinger peger langs bevægelsesretningen, partiklen er venstrehåndet. Ingen højrehåndede partikler (i grænsen på nul masse) er nogensinde blevet observeret, men der er ingen tvingende grund til, at de ikke skulle eksistere. Faktisk, mange foreslåede udvidelser til standardmodellen foreslår, at højrehåndede partikler eksisterer og er bare svære at opdage. Den forbedrede præcision af asymmetrimålinger ved hjælp af moderne teknikker kan forbedre søgninger efter højrehåndede partikler samt teste andre grundlæggende aspekter af standardmodellen.

Ved at bruge TRIUMF Neutral Atom Trap (TRINAT)-faciliteten, et samarbejde fra Texas A&M University, TRIUMF (Canadas nationale partikelacceleratorcenter), Tel Aviv Universitet, og University of Manitoba kombinerede magneto-optisk fangst og optiske pumpeteknikker for at producere en ideel kilde til kortlivede kalium-37-atomer. Den magneto-optiske fælde er ekstremt selektiv, begrænser kun isotopen af ​​interesse. Det giver en meget begrænset og kold sky af stærkt polariserede atomer, der henfalder fra en meget lavvandet fælde inden for en usædvanlig åben geometri. Dette giver forskerne mulighed for at måle momenta af både rekylen og udsendte beta-døtre i et næsten baggrundsfrit miljø med minimal beta-spredningseffekt. To beta teleskoper, placeret langs polarisationsaksen, observere antallet af betaer, der udsendes parallelt og anti-parallelt med den nukleare polarisering. Retningen af ​​polariseringen vendes let ved blot at ændre tegnet for det cirkulært polariserede optisk-pumpende lys. Dette er en ideel situation til at bestemme korrelationen af ​​betaen med det indledende nukleare spin, det er, beta-asymmetriparameteren.

Asymmetrien observeret i beta-detektorerne bestemmer beta-asymmetriparameteren for kalium-37 til inden for 0,3 procent af dens værdi. Dette er den bedste relative nøjagtighed af enhver beta-asymmetrimåling i en kerne eller neutronen, og er i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse. Dette eksperiment har øget følsomheden over for ny fysik sammenlignet med andre nukleare søgninger. Det forbedrer bestemmelsen af ​​kvarksmagsændringsstyrkeparameteren for denne kerne med en faktor 4. Forskerne har identificeret måder at forbedre præcisionen til bedre end en del pr. på hvilket tidspunkt resultatet vil være komplementært til søgninger efter ny fysik på store anlæg såsom Large Hadron Collider. Ud over at forbedre beta-asymmetriparametermålingen, forskere vil bruge TRINAT til at måle andre polariserede og upolariserede korrelationsparametre.