Præcisionseksperiment først for at isolere, måle svag kraft mellem protoner, neutroner

Et team af forskere har for første gang målt den uhåndgribelige svage interaktion mellem protoner og neutroner i kernen af ​​et atom. De havde valgt den enkleste kerne bestående af en neutron og en proton til undersøgelsen.

Gennem et unikt neutroneksperiment ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, eksperimentelle fysikere løste den svage kraft mellem partiklerne i atomets kerne, forudsagt i standardmodellen, der beskriver elementarpartiklerne og deres interaktioner.

Deres resultat er følsomt over for subtile aspekter af den stærke kraft mellem nukleare partikler, som stadig er dårligt forstået.

Holdets observation, beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve , kulminerer årtiers arbejde udført med et apparat kendt som NPDGamma. Den første fase af eksperimentet fandt sted på Los Alamos National Laboratory. Med udgangspunkt i den viden, der er opnået på LANL, holdet flyttede projektet til ORNL for at drage fordel af den høje neutronstråleintensitet produceret ved laboratoriets Spallation Neutron Source.

Protoner og neutroner er lavet af mindre partikler kaldet kvarker, der er bundet sammen af ​​den stærke vekselvirkning, som er en af ​​de fire kendte naturkræfter:stærk kraft, elektromagnetisme, svag kraft og tyngdekraft. Den svage kraft findes i den lille afstand inden for og mellem protoner og neutroner; den stærke vekselvirkning begrænser kvarker i neutroner og protoner.

Den svage kraft forbinder også kernepartiklernes aksiale spin og bevægelsesretning, afslører subtile aspekter af, hvordan kvarker bevæger sig inde i protoner og neutroner.

"Målet med eksperimentet var at isolere og måle en komponent af denne svage interaktion, som manifesterede sig som gammastråler, der kunne tælles og verificeres med høj statistisk nøjagtighed, " sagde David Bowman, medforfatter og teamleder for neutronfysik på ORNL. "Du skal opdage en masse gammaer for at se denne lille effekt."

NPDGamma-eksperimentet, den første, der skal udføres ved Fundamental Neutron Physics Beamline på SNS, kanaliserede kolde neutroner mod et mål af flydende brint. Apparatet var designet til at styre spinretningen af ​​de langsomt bevægende neutroner, "vender" dem fra spin-up til spin-down positioner som ønsket. Da de manipulerede neutroner smadrede ind i målet, de interagerede med protonerne i det flydende brints atomer, udsendelse af gammastråler, der blev målt af specielle sensorer.

Efter at have analyseret gammastrålerne, forskerne fandt paritetskrænkende asymmetri, som er en specifik ændring i adfærd i kraften mellem en neutron og en proton. "Hvis paritet blev bevaret, en kerne, der drejer på den højrehåndede måde, og en, der drejer på den venstrehåndede måde - som om de var spejlbilleder - ville resultere i, at et lige så stort antal gammas udsender op som udsender ned, " forklarede Bowman.

"Men, faktisk, vi observerede, at flere gammaer går ned end går op, som fører til succesfuld isolering og måling af en spejl-asymmetrisk komponent af den svage kraft."

Forskerne kørte eksperimentet adskillige gange i omkring to årtier, optælling og karakterisering af gammastrålerne og indsamling af data fra disse hændelser baseret på neutronspinretning og andre faktorer.

Den høje intensitet af SNS, sammen med andre forbedringer, tilladt en tællehastighed, der er næsten 100 gange højere sammenlignet med tidligere operation på Los Alamos Neutron Science Center.

Resultaterne af NPDGamma-eksperimentet udfyldte et vigtigt stykke information, men der er stadig teorier, der skal afprøves.

"Der er en teori for den svage kraft mellem kvarkerne inde i protonen og neutronen, men måden hvorpå den stærke kraft mellem kvarkerne omsættes til kraften mellem protonen og neutronen er ikke fuldt ud forstået, " sagde W. Michael Snow, medforfatter og professor i eksperimentel kernefysik ved Indiana University. "Det er stadig et uløst problem."

Han sammenlignede målingen af ​​den svage kraft i forhold til den stærke kraft som en slags sporstof, ligner et sporstof i biologi, der afslører en proces af interesse i et system uden at forstyrre det.

"Den svage interaktion giver os mulighed for at afsløre nogle unikke træk ved kvarkernes dynamik i kernen af ​​et atom, " tilføjede Snow.