De CREX-samenwerking, een grote groep onderzoekers van verschillende universiteiten over de hele wereld die betrokken zijn bij het Calcium Radius Experiment (CREX), heeft onlangs een nauwkeurige meting verzameld van de gebroken spiegelsymmetrie in de elastische verstrooiing van longitudinaal gepolariseerde elektronen in ⁴⁸ Ca wat een handtekening is van de nucleaire zwakke kracht. Door hun meting konden ze het verschil in de verdeling van neutronen en protonen binnen de ⁴⁸ Ca kern. Hun experiment werd uitgevoerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), in Newport News, Virginia.

"Het experiment dat we hebben uitgevoerd is zeer uitdagend, omdat de zwakke interactie een vaag gefluister is van een effect in de verstrooiing van elektronen uit kernen, die wordt gedomineerd door de elektrische lading van het elektron en protonen in de kern," Kent Paschke, een van de de onderzoekers die de studie hebben uitgevoerd, vertelden Phys.org. "Het feit dat de zwakke interactie de spiegelsymmetrie doorbreekt, en die zwakke interactie veel sterker is met neutronen dan met protonen, maakt deze meting mogelijk."

Het idee om de neutronenverdeling in kernen te meten met behulp van de zwakke interactie in elektronenverstrooiing bestaat al tientallen jaren. De noodzaak om deze meting te verzamelen is de laatste tijd echter dringender geworden vanwege verbeteringen in het wetenschappelijke begrip van nucleaire structuren, terwijl experimentele technieken zijn verbeterd om dit idee te verwezenlijken.

"Omdat elektron-nucleaire verstrooiing wordt gedomineerd door de elektromagnetische interactie, moet je, om zelfs maar het effect van de zwakke interactie te zien, kijken naar iets dat alleen de zwakke interactie kan doen," legde Paschke uit. "De zwakke interactie, de enige tussen de bekende fundamentele krachten, respecteert de spiegelsymmetrie niet, dus we kunnen het effect ervan zien in het verschil in verstrooiingssnelheid tussen configuraties die spiegelbeelden van elkaar zijn."

Het recente werk van Paschke en zijn collega's is gebaseerd op nieuwe experimentele technieken voor het verzamelen van zeer nauwkeurige metingen. In hun experimenten verzamelden de onderzoekers hun metingen specifiek met behulp van een gepolariseerde elektronenstraal.

"Een elektron, gepolariseerd langs zijn bewegingsrichting, elastische verstrooiing onder een bepaalde hoek van een niet-gepolariseerd nucleair doelwit, is een exact spiegelbeeld van dezelfde verstrooiing maar met de elektronenspin omgekeerd, wijzend tegen de bewegingsrichting in," Paschke gezegd. "Het effect van de zwakke interactie in het verstrooiingsproces werd gemeten als de verandering in de verstrooiingssnelheid bij het omdraaien van de bundelpolarisatie om langs of tegen de bundelrichting in te gaan."

Het effect dat Paschke en zijn collega's onderzoeken, is ongelooflijk klein. In hun experimenten maten ze een elastische verstrooiingssnelheid die slechts 2,7 delen per miljoen groter of kleiner was, of 0,00027%, afhankelijk van de spin van het elektron. Om zo'n klein verschil precies te meten, observeerden de onderzoekers meer dan 100 biljoen elastische verstrooiingsgebeurtenissen. Ze moesten er ook zeker van zijn dat er niets anders was veranderd terwijl ze tussen configuraties wisselden.

"Deze vormfactor kan worden geïnterpreteerd als de dikte van de 'huid' van zwakke lading rond de kern, dat wil zeggen, de overmaat van de gemiddelde straal van de bol met zwakke lading in vergelijking met die van de elektromagnetische lading," zei Paschke. "Omdat zwakke lading voornamelijk uit neutronen bestaat, kan dit ook worden geïnterpreteerd als de neutronenhuid van Ca-48, dat wil zeggen de straal van de neutronenverdeling minus de straal van de protonverdeling."

Uit de meting van Paschke en zijn collega's blijkt dat de neutronenhuid van Ca-48 kleiner is dan wat de meeste theoretische modellen hadden voorspeld. Dit suggereert dat de toestandsvergelijking (d.w.z. een vergelijking die de verandering in bindingsenergie versus dichtheid beschrijft), zachter is dan verwacht, dus de energiekosten van een neutronenrijke kern met een hogere dichtheid zijn lager dan sommigen hadden gedacht.

Bij het analyseren van hun waarnemingen ontdekte de CREX-samenwerking dat ze in overeenstemming waren met enkele theoretische berekeningen. Desalniettemin stelt hun bevinding nieuwe beperkingen aan bestaande theoretische modellen, met name wat betreft de neutronenhuid van Ca-48.

"Onze bevindingen worden nog interessanter als we dit resultaat vergelijken met het resultaat dat we vorig jaar hebben vrijgegeven, voor een vergelijkbare meting met de veel zwaardere Pb-208-kern," zei Paschke. "Dat resultaat impliceerde een aanzienlijk dikkere huid voor Pb-208 dan werd verwacht. Kernstructuurmodellen suggereren dat deze resultaten gecorreleerd zouden moeten zijn - een dunne huid in het ene systeem zou een dunne huid in het andere systeem moeten zijn. het contrast tussen de twee metingen is een beetje verrassend en vormt een uitdaging voor de theoretische beschrijving van kernen."

De nieuwe meting die door de CREX-samenwerking is verzameld, is buitengewoon eenvoudig te interpreteren, met minimale en algemeen aanvaarde theoretische correcties. Dit betekent dat hun meetmethode een waardevolle manier is om deze slecht beperkte vrijheidsgraad in nucleaire structuren te onderzoeken.

"De metingen die we hebben verzameld, zijn erg moeilijk te bereiken, dus uiteindelijk laat de precisie van de metingen aanzienlijke speelruimte voor de modellen", zei Paschke. "Er zijn verschillende moderne modellen die consistent zijn met al het andere dat we weten over kernen, terwijl ze slechts in lichte spanning staan ​​met onze resultaten. Dat wil zeggen, sommige modellen zijn het niet eens met de centrale waarde van onze metingen, maar alleen met een hoeveelheid die redelijkerwijs kan worden verklaard door de intrinsieke precisie van onze experimentele resultaten."

In wezen, hoewel de resultaten van de onderzoekers de bestaande nucleaire theorie niet weerleggen, leggen ze er nieuwe belangrijke beperkingen op. Bovendien kunnen de experimentele methoden die ze hebben ontwikkeld, worden gebruikt voor toekomstige studies.

"De methoden die we gebruikten om variaties in het straaltraject te controleren, te karakteriseren en te corrigeren, bleken nauwkeuriger en robuuster te zijn in de Pb-208-meting dan in enige eerdere meting," zei Paschke.

Om hun metingen op Ca-48 te verzamelen, gebruikte de CREX-samenwerking twee complementaire technieken waarmee ze de bundelpolarisatie met een ongekend niveau van precisie konden detecteren. In de toekomst zouden deze technieken kunnen worden gebruikt om de zwakke interactie in de elektronenverstrooiing met hoge precisie te meten.

"Aanzienlijke verbetering van de precisie met de Pb-208- of Ca-48-kernen zou heel opwindend zijn, maar het zou moeilijk zijn om deze metingen in deze faciliteit te verbeteren," zei Paschke. "We hebben de techniek bij JLab echt zo ver mogelijk gepusht. Er zijn plannen om metingen uit te voeren met een speciaal apparaat in de nieuwe MESA-faciliteit die in Mainz wordt gebouwd, en het is erg belangrijk om die mogelijkheid te verkennen."

Sommige leden van de CREX-samenwerking werken nu aan nieuwe, uiterst nauwkeurige experimenten bij JLab. Hun huidige inspanningen zijn specifiek gericht op het zoeken naar nieuwe fundamentele interacties die verder gaan dan het standaardmodel.

"Het MOLLER-experiment zal over een paar jaar ook beginnen met het verzamelen van gegevens, met behulp van technieken die zijn verfijnd door deze Ca-48- en Pb-208-metingen, om een ​​ongekende gevoeligheid voor nieuwe fysica in de interactie tussen twee elektronen te bereiken," voegde Paschke eraan toe. + Verder verkennen

Natuurkundigen halen goud uit neutronensterren na meting van lood

© 2022 Science X Network