Eksotisk atomkerne kaster lys over kvarkernes verden

Eksperimenter på CERN og Accelerator Laboratory i Jyväskylä, Finland, har afsløret, at radius af en eksotisk kerne af aluminium, ^26m Al, er meget større end tidligere antaget. Resultatet, beskrevet i en artikel, der netop er offentliggjort i Physical Review Letters , kaster lys over virkningerne af den svage kraft på kvarker - de elementære partikler, der udgør protoner, neutroner og andre sammensatte partikler.

Blandt de fire kendte fundamentale naturkræfter – den elektromagnetiske kraft, den stærke kraft, den svage kraft og tyngdekraften – kan den svage kraft med en vis sandsynlighed ændre "smag" af en kvark. Standardmodellen for partikelfysik, som beskriver alle partikler og deres vekselvirkninger med hinanden, forudsiger ikke værdien af ​​denne sandsynlighed, men forudsiger for en given kvarksmag summen af ​​alle mulige sandsynligheder til at være præcis 1. Derfor, sandsynlighedssummen tilbyder en måde at teste standardmodellen og søge efter ny fysik:hvis sandsynlighedssummen viser sig at være forskellig fra 1, ville det indebære ny fysik ud over standardmodellen.

Interessant nok er sandsynlighedssummen, der involverer op-kvarken, i øjeblikket i tilsyneladende spænding med den forventede enhed, selvom styrken af ​​spændingen afhænger af de underliggende teoretiske beregninger. Denne sum inkluderer de respektive sandsynligheder for, at down-kvarken, den mærkelige kvark og bundkvarken transformerer til op-kvarken.

Den første af disse sandsynligheder viser sig i beta-henfald af en atomkerne, hvor en neutron (lavet af en op-kvark og to ned-kvarker) ændres til en proton (sammensat af to op-kvarker og en ned-kvark) eller omvendt. Men på grund af den komplekse struktur af atomkernerne, der gennemgår beta-henfald, er en nøjagtig bestemmelse af denne sandsynlighed generelt ikke mulig.

Forskere vender sig således til en undergruppe af beta-henfald, der er mindre følsomme over for virkningerne af nuklear struktur for at bestemme sandsynligheden. Blandt de adskillige mængder, der er nødvendige for at karakterisere sådanne "supertilladte" beta-henfald, er (ladningen) radius af den henfaldende kerne.

Det er her det nye resultat for radius af ^26m Al-kernen, som gennemgår et supertilladt beta-henfald, kommer ind. Resultatet blev opnået ved at måle responsen af ​​ ^26m Al kerne til laserlys i eksperimenter udført på CERNs ISOLDE-anlæg og Acceleratorlaboratoriets IGISOL-anlæg. Den nye radius, et vægtet gennemsnit af ISOLDE- og IGISOL-datasættene, er meget større end forudsagt, og resultatet er en svækkelse af den aktuelle tilsyneladende spænding i sandsynlighedssummen, der involverer op-kvarken.

"Ladningsradius for andre kerner, der gennemgår supertilladte beta-henfald, er tidligere blevet målt ved ISOLDE og andre faciliteter, og der er bestræbelser på at bestemme radius på ⁵⁴ Co at IGISOL," forklarer ISOLDE-fysiker og hovedforfatter af papiret, Peter Plattner. "Men ^26m Al er et ret unikt tilfælde, da det, selv om det er det mest præcist undersøgte af sådanne kerner, dets radius har været ukendt indtil nu, og som det viser sig, er det meget større end antaget i beregningen af ​​sandsynligheden for nedkvarken. transformerer til opkvarken."

"Søg efter ny fysik ud over standardmodellen, inklusive dem, der er baseret på sandsynligheden for, at kvarker ændrer smag, er ofte et spil med høj præcision," siger CERN-teoretiker Andreas Juttner. "Dette resultat understreger vigtigheden af ​​at granske alle relevante eksperimentelle og teoretiske resultater på enhver mulig måde."

Tidligere og nuværende partikelfysiske eksperimenter verden over, inklusive LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider, har bidraget og bidrager fortsat væsentligt til vores viden om virkningerne af den svage kraft på kvarker gennem bestemmelse af forskellige sandsynligheder for en kvarksmag. lave om. Kernefysiske eksperimenter med supertilladte beta-henfald tilbyder dog i øjeblikket den bedste måde at bestemme sandsynligheden for, at down-kvarken transformerer til op-kvarken, og dette kan meget vel forblive tilfældet i en overskuelig fremtid.

Flere oplysninger: P. Plattner et al, Nuclear Charge Radius of Al26m and Its Implikation for Vud in the Quark Mixing Matrix, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.222502

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af CERN