En præcis måling af den neutrale svage formfaktor for Ca-48

CREX Collaboration, en stor gruppe forskere fra forskellige universiteter verden over, som er involveret i Calcium Radius Experiment (CREX), har for nylig indsamlet en præcis måling af den brudte spejlsymmetri i den elastiske spredning af langsgående polariserede elektroner i ⁴⁸ Ca som er en signatur af den nukleare svage kraft. Deres måling gjorde det muligt for dem at bestemme forskellen i fordelingen af ​​neutroner og protoner inden for ⁴⁸ Ca kerne. Deres eksperiment blev udført på Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), i Newport News, Virginia.

"Eksperimentet, vi udførte, er meget udfordrende, da den svage interaktion er en svag hvisken om en effekt i spredningen af ​​elektroner fra kerner, som er domineret af den elektriske ladning af elektronen og protonerne i kernen," Kent Paschke, en af forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det faktum, at den svage interaktion bryder spejlsymmetri, og at svag interaktion er meget stærkere med neutroner end med protoner, gør denne måling mulig."

Ideen om at måle neutronfordelingen i kerner ved hjælp af den svage interaktion i elektronspredning har eksisteret i årtier. Behovet for at indsamle denne måling er dog for nylig blevet mere presserende på grund af forbedringer i den videnskabelige forståelse af nukleare strukturer, mens eksperimentelle teknikker er blevet forbedret for at hjælpe med at føre denne idé ud i livet.

"Da elektron-nuklear spredning er domineret af den elektromagnetiske interaktion, for overhovedet at se effekten af ​​den svage interaktion er man nødt til at se på noget, som kun den svage interaktion kan gøre," forklarede Paschke. "Den svage interaktion, alene blandt de kendte fundamentale kræfter, respekterer ikke spejlsymmetri, så vi kan se dens effekt i forskellen i spredningshastighed mellem konfigurationer, der er spejlbilleder af hinanden."

Det seneste arbejde af Paschke og hans kolleger er baseret på nye eksperimentelle teknikker til indsamling af højpræcisionsmålinger. I deres eksperimenter indsamlede forskerne specifikt deres målinger ved hjælp af en polariseret elektronstråle.

"En elektron, polariseret langs dens bevægelsesretning, elastisk spredning i en bestemt vinkel fra et upolariseret kernemål, er et nøjagtigt spejlbillede af den samme spredning, men med elektronspindet omvendt og peger modsat dens bevægelsesretning," Paschke sagde. "Effekten af ​​den svage interaktion i spredningsprocessen blev målt som ændringen i spredningshastigheden, når strålepolarisationen vendes til at være langs eller imod stråleretningen."

Effekten, som Paschke og hans kolleger har undersøgt, er utrolig lille. I deres eksperimenter målte de en elastisk spredningshastighed, der kun var større eller mindre med 2,7 ppm, eller 0,00027%, afhængigt af elektronens spin. For præcist at måle en så lille forskel observerede forskerne mere end 100 billioner elastiske spredningsbegivenheder. De skulle også være sikre på, at intet andet var ændret, mens de bladrede mellem konfigurationer.

"Denne formfaktor kan fortolkes til at give tykkelsen af ​​'huden' af svag ladning omkring kernen, det vil sige overskridelsen af ​​den gennemsnitlige radius af sfæren med svag ladning sammenlignet med den af ​​den elektromagnetiske ladning," sagde Paschke. "Da svag ladning overvejende er neutroner, kan dette også tolkes som neutronhuden af ​​Ca-48, det vil sige radius af neutronfordelingen minus radius af protonfordeling."

Målingen indsamlet af Paschke og hans kolleger viser, at neutronhuden af ​​Ca-48 er mindre end hvad de fleste teoretiske modeller havde forudsagt. Dette tyder på, at tilstandsligningen (dvs. en ligning, der beskriver ændringen i bindingsenergi vs. tæthed), er blødere end forventet, så energiomkostningerne for en neutronrig kerne med højere tæthed er mindre, end nogle havde troet.

Da CREX-samarbejdet analyserede deres observationer, fandt de, at de var på linje med nogle teoretiske beregninger. Ikke desto mindre sætter deres fund nye begrænsninger for eksisterende teoretiske modeller, især med hensyn til neutronhuden af ​​Ca-48.

"Vores resultater bliver endnu mere interessante, når vi sammenligner dette resultat med det resultat, vi udgav sidste år, for en lignende måling med den meget tungere Pb-208-kerne," sagde Paschke. "Dette resultat indebar en betydeligt tykkere hud for Pb-208 end forventet. Nuklear strukturmodeller har en tendens til at foreslå, at disse resultater bør korreleres - en tynd hud i det ene system skulle være en tynd hud i det andet system. På denne måde kontrasten mellem de to målinger er en smule overraskende og giver en udfordring til den teoretiske beskrivelse af kerner."

Den nye måling indsamlet af CREX Collaboration er ekstremt ligetil at fortolke, med minimale og bredt etablerede teoretiske korrektioner. Det betyder, at deres målemetode er en værdifuld måde at undersøge denne dårligt begrænsede grad af frihed i nukleare strukturer på.

"De mål, vi har indsamlet, er meget vanskelige at opnå, så i sidste ende giver målingernes præcision et betydeligt slingrerum for modellerne," sagde Paschke. "Der er flere moderne modeller, der stemmer overens med alt andet, vi ved om kerner, samtidig med at de kun er i mild spænding med vores resultater. Det vil sige, at nogle modeller er uenige i den centrale værdi af vores målinger, men kun i en mængde, der kan være rimeligt. forklaret af den iboende præcision af vores eksperimentelle resultater."

I det væsentlige, mens forskernes resultater ikke modbeviser eksisterende nuklear teori, sætter de nye vigtige begrænsninger på den. Derudover kunne de eksperimentelle metoder, de udviklede, bruges til fremtidige undersøgelser.

"De metoder, vi brugte til at kontrollere, karakterisere og korrigere for variationer i strålebanen, viste sig at være mere præcise og robuste i Pb-208-målingen end i nogen tidligere måling," sagde Paschke.

For at indsamle deres målinger på Ca-48 brugte CREX Collaboration to komplementære teknikker, der gjorde det muligt for dem at detektere strålepolarisationen med et hidtil uset præcisionsniveau. I fremtiden vil disse teknikker kunne bruges til at måle den svage interaktion i elektronspredningen med høje præcisionsniveauer.

"En væsentlig forbedring af præcisionen med enten Pb-208- eller Ca-48-kernerne ville være meget spændende, men det ville være svært at forbedre disse målinger på denne facilitet," sagde Paschke. "Vi har virkelig skubbet teknikken på JLab så langt, som det kan gå. Der er nogle planer om at lave målinger med et dedikeret apparat, det nye MESA-anlæg, der bygges i Mainz, og det er meget vigtigt at udforske denne mulighed."

Nogle af medlemmerne fra CREX Collaboration arbejder nu på nye, højpræcisionseksperimenter på JLab. Deres nuværende indsats fokuserer specifikt på at søge efter nye fundamentale interaktioner ud over standardmodellen.

"MOLLER-eksperimentet vil også begynde at tage data om et par år ved at bruge teknikker, der er forfinet af disse Ca-48 og Pb-208 målinger, for at opnå en hidtil uset følsomhed over for ny fysik i samspillet mellem to elektroner," tilføjede Paschke. + Udforsk yderligere

Fysikere netto neutronstjerne guld fra måling af bly

© 2022 Science X Network