Door een uniek experiment in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, kernfysici hebben de zwakke interactie tussen protonen en neutronen nauwkeurig gemeten. Het resultaat kwantificeert de theorie van zwakke krachten zoals voorspeld door het standaardmodel van deeltjesfysica.

De zwakke krachtwaarneming van het team, gedetailleerd in Fysieke beoordelingsbrieven , werd gemeten via een precisie-experiment genaamd n3He, of n-helium-3, die liep bij ORNL's Spallation Neutron Source, of SNS. Hun bevinding leverde de kleinste onzekerheid op van enige vergelijkbare meting van zwakke krachten in de kern van een atoom tot nu toe, die een belangrijke maatstaf vormt.

Het standaardmodel beschrijft de basisbouwstenen van materie in het universum en de fundamentele krachten die daartussen werken. Het berekenen en meten van de zwakke kracht tussen protonen en neutronen is een uiterst moeilijke taak.

"Omdat de interacties die we zoeken erg zwak zijn, de effecten die we willen detecteren in nauwkeurige kernfysica-experimenten zijn erg klein en, daarom, uiterst moeilijk te observeren, " zei David Bowman, co-auteur en teamleider voor fundamentele neutronenfysica bij ORNL.

De zwakke kracht is een van de vier fundamentele krachten in de natuur, samen met de sterke kernkracht, elektromagnetisme en zwaartekracht, en beschrijft interacties tussen subatomaire deeltjes die quarks worden genoemd en waaruit protonen en neutronen bestaan. De zwakke kracht is ook verantwoordelijk voor het radioactieve verval van een atoom. Bepaalde mechanismen van de zwakke kracht behoren tot de minst begrepen aspecten van het standaardmodel.

Het detecteren van de ongrijpbare zwakke interacties vereist zeer nauwkeurige experimenten, geleid door grote internationale teams met een ultramoderne apparatuur en een koude neutronenbron van wereldklasse met een zeer hoge neutronenflux, zoals de Fundamental Neutron Physics Beamline bij SNS. Neutronen die bij SNS worden geproduceerd, zijn ideaal voor precisie-experimenten die zich richten op de rol die de zwakke kracht speelt in de reactie tussen neutronen en andere kernen.

Boogschutter, een vooraanstaand wetenschapper op dit gebied, bestudeert sinds het begin van de jaren zestig kernfysica en subatomaire interacties.

"In het begin, er waren fenomenologische nucleaire modellen verzameld vanuit een empirisch onderzoeksoogpunt. Maar, in recente jaren, er grote vooruitgang is geboekt in de berekeningen van wisselwerkingen van zwakke krachten in de nucleaire omgeving, " zei hij. "Er zijn nieuwe nucleaire technieken beschikbaar gekomen met verschillende vrijheidsgraden, en de berekeningen zijn nu op een zeer geavanceerd niveau."

Het laatste experiment van de wetenschappers was gericht op helium-3, dat is een lichte en stabiele isotoop bestaande uit twee protonen en één neutron, het enige element in de natuur dat meer protonen dan neutronen in de kern heeft. "Als een neutron en een helium-3-kern samenkomen, de reactie produceert een opgewonden, onstabiele helium-4 isotoop, vervallen tot één proton en één triton (bestaande uit twee neutronen en één proton), die beide een klein maar detecteerbaar elektrisch signaal produceren als ze door het heliumgas in de doelcel bewegen, " zei Michael Gericke, corresponderende auteur en professor voor subatomaire fysica aan de Universiteit van Manitoba.

Het n-helium-3-experiment gebruikte dezelfde neutronenbundellijn, polarisator en diagnostiek als zijn voorganger, NPDGamma, die een vloeibaar waterstofdoel gebruikte dat gammastralen produceerde door neutronen-protoninteracties. Het team ontdekte dat er meer gammastraling naar beneden gaat dan omhoog met betrekking tot de spinrichting van de neutronen, wat leidde tot de succesvolle meting van een spiegelasymmetrische component van de zwakke kracht.

gelijk aan NPDGamma, het n-helium-3-experiment is het hoogtepunt van tien jaar onderzoek, voorbereiding en analyse. De configuratie van het experiment creëerde een extreem lage achtergrondomgeving waar neutronen kunnen worden gecontroleerd voordat ze een container met helium-3-gas binnengaan. Gericke leidde de groep die het gecombineerde helium-3-doelwit- en detectorsysteem bouwde, ontworpen om de zeer kleine signalen op te pikken en leidde de daaropvolgende analyse.

In het experiment, een straal langzaam bewegend, of koud, neutronen op SNS kwamen het helium-3-doel binnen. Eén instrument is ontworpen om de kernspinrichting van de helium-3-atomen te regelen. Wanneer de neutronen interageren met het magnetische veld, een ander apparaat draaide hun draairichting omhoog of omlaag, het definiëren van de spin-status. Toen de neutronen het doel bereikten, ze interageerden met de protonen in de helium-3-atomen, het uitzenden van de stroomsignalen die werden gemeten door gevoelige elektronica.

"We moesten een unieke doelgascel ontwikkelen die tegelijkertijd diende als een positiegevoelige detector om de subatomaire producten van de reactie te meten, ' zei Gericke.

"Om tegemoet te komen aan de verschillende omstandigheden van dit experiment, we hebben een nieuw apparaat uitgevonden dat nodig is om de draairichting van neutronen om te keren vlak voordat ze reageerden met het helium-3-doelwit, "Zei co-auteur en hoogleraar kernfysica Christopher Crawford van de Universiteit van Kentucky. "Deze universele spin-flipper was in staat om met hoge efficiëntie in het grote neutronensnelheidsbereik te werken."

Experimenten met zwakke kracht hebben te kampen met de dominante aard van de sterke kracht en achtergrondruis die de gegevens zouden kunnen vervormen. "Het n-helium-3-experiment moest gevoelig zijn voor zeer kleine effecten - 100 miljoen keer kleiner dan de achtergrond, "Zei Crawford. "Dat is vergelijkbaar met het zoeken naar een naald van 2,5 cm in een schuur van 40 voet hoog vol hooi."

Ongeveer een jaar lang, het team verzamelde en analyseerde de gegevens om de sterkte van de pariteitsschending te bepalen, wat een specifieke eigenschap is van de zwakke kracht tussen een neutron en een proton. Dit fenomeen is uniek voor de zwakke kracht en wordt niet waargenomen bij de sterke kracht, elektromagnetisme of zwaartekracht.

N-helium-3 maakte gebruik van de symmetrie van de experimentele configuratie verkregen door de goed gecontroleerde neutronenpolarisatie, door een combinatie van de neutronenspin en het uitgaande momentum van reactieproducten voor beide neutronenpolarisaties te meten. "Dit heeft een zekere handigheid, ' zei Crawford. 'Omdat de rechter- en linkerhand in de spiegel tegenover elkaar staan, deze waarneming was volledig ongevoelig voor de effecten van de andere drie krachten."

De resultaten van n-helium-3, samen met NPDGamma, hebben de manier veranderd waarop kernfysici de rol van de zwakke kracht in atoomkernen begrijpen. Beide helpen bij het beantwoorden van openstaande vragen in het standaardmodel door de mogelijkheid om nauwkeurige berekeningen te maken.

"Wat gaat er hierna gebeuren, we hebben meer metingen nodig, zoals deze zeer nauwkeurige metingen die we bij SNS krijgen, " zei Bowman. "Vooruitgang op dit gebied vereist een dialoog tussen de experimentatoren en theoretici. Naarmate de resultaten van experimenten zoals die van ons beschikbaar komen, ze benchmarken theorieën, en dat stelt theoretici in staat om de modellen te verbeteren die nieuwe waarneembare zaken voorspellen die dan experimenteel bereikbaar zouden kunnen zijn."