Een team van wetenschappers heeft voor het eerst de ongrijpbare zwakke interactie tussen protonen en neutronen in de kern van een atoom gemeten. Ze hadden voor het onderzoek de eenvoudigste kern gekozen, bestaande uit één neutron en één proton.

Door een uniek neutronenexperiment in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, experimentele fysici hebben de zwakke kracht tussen de deeltjes in de kern van het atoom opgelost, voorspeld in het Standaardmodel dat de elementaire deeltjes en hun interacties beschrijft.

Hun resultaat is gevoelig voor subtiele aspecten van de sterke kracht tussen kerndeeltjes, die nog steeds slecht begrepen wordt.

De observatie van het team, beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven , is het hoogtepunt van tientallen jaren werk dat is uitgevoerd met een apparaat dat bekend staat als NPDGamma. De eerste fase van het experiment vond plaats in het Los Alamos National Laboratory. Voortbouwend op de kennis die is opgedaan bij LANL, het team verplaatste het project naar ORNL om te profiteren van de hoge intensiteit van de neutronenbundel die wordt geproduceerd in de Spallation Neutron Source van het laboratorium.

Protonen en neutronen zijn gemaakt van kleinere deeltjes, quarks genaamd, die aan elkaar zijn gebonden door de sterke interactie, wat een van de vier bekende natuurkrachten is:sterke kracht, elektromagnetisme, zwakke kracht en zwaartekracht. De zwakke kracht bestaat in de kleine afstand binnen en tussen protonen en neutronen; de sterke interactie beperkt quarks in neutronen en protonen.

De zwakke kracht verbindt ook de axiale spin en bewegingsrichting van de kerndeeltjes, onthullende subtiele aspecten van hoe quarks binnen protonen en neutronen bewegen.

"Het doel van het experiment was om één component van deze zwakke interactie te isoleren en te meten, die zich manifesteerden als gammastralen die met hoge statistische nauwkeurigheid konden worden geteld en geverifieerd, " zei David Bowman, co-auteur en teamleider voor neutronenfysica bij ORNL. "Je moet veel gamma's detecteren om dit kleine effect te zien."

Het NPDGamma-experiment, de eerste die werd uitgevoerd bij de Fundamental Neutron Physics Beamline bij SNS, koude neutronen naar een doelwit van vloeibare waterstof geleid. Het apparaat is ontworpen om de draairichting van de langzaam bewegende neutronen te regelen, "flippen" ze van spin-up naar spin-down posities zoals gewenst. Toen de gemanipuleerde neutronen het doelwit insloegen, ze interageerden met de protonen in de vloeibare waterstofatomen, het uitzenden van gammastralen die werden gemeten door speciale sensoren.

Na analyse van de gammastraling, vonden de wetenschappers pariteitsschendende asymmetrie, dat is een specifieke gedragsverandering in de kracht tussen een neutron en een proton. "Als de pariteit behouden zou blijven, een kern die rechtshandig draait en een kern die linkshandig ronddraait - alsof het gespiegelde beelden zijn - zou resulteren in een gelijk aantal gamma's dat omhoog uitzendt als naar beneden, ' legde Boeman uit.

"Maar, in feite, we zagen dat er meer gamma's dalen dan stijgen, die leiden tot het succesvol isoleren en meten van een spiegelasymmetrische component van de zwakke kracht."

De wetenschappers voerden het experiment ongeveer twee decennia lang talloze keren uit, het tellen en karakteriseren van de gammastralen en het verzamelen van gegevens van deze gebeurtenissen op basis van de spinrichting van de neutronen en andere factoren.

De hoge intensiteit van de SNS, samen met andere verbeteringen, stond een telsnelheid toe die bijna 100 keer hoger is in vergelijking met eerdere operaties in het Los Alamos Neutron Science Center.

De resultaten van het NPDGamma-experiment vulden een essentieel stuk informatie in, toch zijn er nog theorieën die getest moeten worden.

"Er is een theorie voor de zwakke kracht tussen de quarks in het proton en het neutron, maar de manier waarop de sterke kracht tussen de quarks zich vertaalt in de kracht tussen het proton en het neutron is niet volledig begrepen, " zei W. Michael Sneeuw, co-auteur en hoogleraar experimentele kernfysica aan de Indiana University. "Dat is nog steeds een onopgelost probleem."

Hij vergeleek de meting van de zwakke kracht in relatie met de sterke kracht als een soort tracer, vergelijkbaar met een tracer in de biologie die een interessant proces in een systeem onthult zonder het te verstoren.

"De zwakke interactie stelt ons in staat om enkele unieke kenmerken van de dynamiek van de quarks in de kern van een atoom te onthullen, ’ voegde Sneeuw eraan toe.