Forskere opnår højere præcision svag kraftmåling mellem protoner, neutroner

Gennem et enestående eksperiment ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, atomfysikere har præcist målt den svage interaktion mellem protoner og neutroner. Resultatet kvantificerer teorien om den svage kraft som forudsagt af standardmodellen for partikelfysik.

Holdets svage kraftobservation, detaljeret i Fysisk gennemgangsbreve , blev målt gennem et præcisionseksperiment kaldet n3He, eller n-helium-3, der kørte ved ORNL's Spallation Neutron Source, eller SNS. Deres fund gav den mindste usikkerhed ved enhver sammenlignelig måling af svag kraft i atomets kerne til dato, som fastlægger et vigtigt benchmark.

Standardmodellen beskriver de grundlæggende byggesten i materie i universet og de grundlæggende kræfter, der virker mellem dem. Beregning og måling af den svage kraft mellem protoner og neutroner er en ekstremt vanskelig opgave.

"Fordi de interaktioner, vi leder efter, er meget svage, de virkninger, vi ønsker at opdage i præcise atomfysiske eksperimenter, er meget små og, derfor, ekstremt svært at observere, "sagde David Bowman, medforfatter og teamleder for grundlæggende neutronfysik på ORNL.

Den svage kraft er en af ​​fire grundlæggende kræfter i naturen, sammen med den stærke atomkraft, elektromagnetisme og tyngdekraft, og beskriver interaktioner mellem subatomære partikler kaldet kvarker, der udgør protoner og neutroner. Den svage kraft er også ansvarlig for et atoms radioaktive henfald. Visse mekanismer for den svage kraft er blandt de mindst forståede aspekter af standardmodellen.

Opdagelse af de undvigende svage interaktioner kræver eksperimenter med høj præcision, ledet af store internationale teams med et state-of-the-art apparat og en kold neutron kilde i verdensklasse med meget høj neutronstrøm, såsom Fundamental Neutron Physics Beamline på SNS. Neutroner produceret ved SNS er ideelle til præcisionseksperimenter, der adresserer den rolle, den svage kraft spiller i reaktionen mellem neutroner og andre kerner.

Bowman, en førende videnskabsmand på dette område, har studeret atomfysik og subatomære interaktioner siden begyndelsen af ​​1960'erne.

"I begyndelsen, der var fænomenologiske nukleare modeller hentet fra et empirisk forskningssynspunkt. Men, i de seneste år, der har været store fremskridt i beregninger af svage kraftinteraktioner i atommiljøet, "sagde han." Nye atomteknikker er blevet tilgængelige med forskellige frihedsgrader, og beregningerne er nu på et meget avanceret niveau. "

Forskernes seneste forsøg fokuserede på helium-3, som er en let og stabil isotop bestående af to protoner og en neutron, det eneste element i naturen, der har flere protoner end neutroner i kernen. "Når en neutron og en helium-3-kerne kombineres, reaktionen frembringer en ophidset, ustabil helium-4 isotop, henfalder til en proton og en triton (bestående af to neutroner og en proton), som begge producerer et lille, men påviseligt elektrisk signal, når de bevæger sig gennem heliumgassen i målcellen, "sagde Michael Gericke, tilsvarende forfatter og professor for subatomær fysik ved University of Manitoba.

N-helium-3-eksperimentet brugte den samme neutronstråle, polarizer og diagnostik som sin forgænger, NPDGamma, som brugte et flydende brintmål, der producerede gammastråler fra neutron-proton-interaktioner. Holdet fandt ud af, at flere gammastråler går ned end op med hensyn til neutronspinnretning, hvilket førte til en vellykket måling af en spejl-asymmetrisk komponent af den svage kraft.

Ligner NPDGamma, n-helium-3-eksperimentet er kulminationen på et årti med forskning, forberedelse og analyse. Eksperimentets konfiguration skabte et ekstremt lavt baggrundsmiljø, hvor neutroner kan kontrolleres, før de kommer ind i en beholder med helium-3-gas. Gericke ledede gruppen, der byggede det kombinerede helium-3 mål- og detektorsystem designet til at opfange de meget små signaler og ledede den efterfølgende analyse.

I forsøget, en stråle af langsom bevægelse, eller koldt, neutroner ved SNS kom ind i helium-3-målet. Et instrument blev designet til at kontrollere helium-3-atomernes nukleare spin-retning. Når neutronerne interagerer med magnetfeltet, et andet apparat vendte deres spinretning enten op eller ned, definerer spin -tilstanden. Da neutronerne nåede målet, de interagerede med protonerne inden for helium-3-atomerne, udsendelse af de aktuelle signaler, der blev målt ved følsom elektronik.

"Vi var nødt til at udvikle en unik målgascelle, der samtidigt fungerede som en positionsfølsom detektor for at måle de subatomære produkter af reaktionen, "Sagde Gericke.

"For at imødekomme forskellige driftsbetingelser for dette eksperiment, vi opfandt et nyt apparat, der var nødvendigt for at vende neutronernes spinretning lige før de reagerede med helium-3-målet, "sagde medforfatter og atomfysikprofessor Christopher Crawford fra University of Kentucky." Denne universelle spinflipper var i stand til at operere i det store neutronhastighedsområde med høj effektivitet. "

Svage kraftforsøg må stride mod den dominerende karakter af den stærke kraft og baggrundsstøj, der kan forvrænge dataene. "N-helium-3-eksperimentet skulle være følsomt over for meget små effekter-100 millioner gange mindre end baggrunden, "Crawford sagde." Det svarer til at søge efter en 1-tommer nål i en 40 fod høj stald fuld af hø. "

I cirka et år, teamet indsamlede og analyserede dataene for at bestemme styrken af ​​paritetsovertrædelsen, som er en specifik egenskab ved den svage kraft mellem en neutron og en proton. Dette fænomen er unikt for den svage kraft og observeres ikke i den stærke kraft, elektromagnetisme eller tyngdekraft.

N-helium-3 udnyttede symmetrien i den eksperimentelle konfiguration opnået ved den velkontrollerede neutronpolarisering, ved at måle en kombination af neutronspin og udgående momentum af reaktionsprodukter for begge neutronpolarisationer. "Dette har en vis hænder, "Sagde Crawford." Da højre og venstre hånd ser modsat i spejlet, denne observation var fuldstændig ufølsom over for virkningerne af de tre andre kræfter. "

Resultaterne af n-helium-3, sammen med NPDGamma, har ændret måden atomfysikere forstår rollen som den svage kraft i atomkerner. Begge hjælper med at besvare udestående spørgsmål i standardmodellen gennem evnen til at foretage nøjagtige beregninger.

"Hvad sker der nu efter dette, vi har brug for flere målinger - ligesom disse meget præcise målinger, vi får ved SNS, "Bowman sagde." Fremskridt på dette område kræver en dialog mellem eksperimenterne og teoretikerne. Efterhånden som resultater fra eksperimenter som vores bliver tilgængelige, de benchmark teorier, og det gør det muligt for teoretikere at forbedre de modeller, der forudsiger nye observerbare ting, som derefter kunne eksperimentelt nås. "