Wetenschap
Bèta-vervalmetingen in spiegelkernen leggen de zwakke kernkracht vast
Het Standaardmodel van de Deeltjesfysica is het beste begrip van wetenschappers van de krachten die beschrijven hoe subatomaire deeltjes op elkaar inwerken. Het Standaardmodel omvat vier krachten:de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwaartekracht. Alle vier de krachten bepalen de manier waarop ons universum werkt. De zwakke kernkracht is echter uitzonderlijk moeilijk te bestuderen, omdat deze overschaduwd wordt door de veel grotere effecten van de sterke nucleaire en elektromagnetische krachten.
Wetenschappers hebben nieuwe inzichten verkregen in de zwakke kernkracht uit gedetailleerde studies van het bèta-verval van de "spiegel"-kernen lithium-8 en boor-8. Spiegelkernen zijn atomen met omgekeerde aantallen protonen en neutronen. Lithium-8 heeft bijvoorbeeld drie protonen en vijf neutronen, terwijl boor-8 vijf protonen en drie neutronen heeft.
Wetenschappers hebben een nieuwe, gevoeligere meting van bèta-vervaleigenschappen uitgevoerd om op zoek te gaan naar een theoretisch kenmerk van de zwakke kernkracht dat momenteel niet is opgenomen in het standaardmodel. De zwakke kernkracht drijft het proces van nucleair bèta-verval aan. Bij bèta-verval zendt een proton of neutron in een kern een bètadeeltje (een elektron of zijn antideeltje, een positron) en een neutrino uit.
De eigenschappen van het bèta-verval van de radioactieve spiegelkernen lithium-8 en boor-8 komen perfect overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel. Deze inspanning combineert state-of-the-art experimentele en theoretische methoden en maakt de weg vrij voor toekomstige vooruitgang in de studie van de zwakke kernkracht.
Een team van kernwetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory, Argonne National Laboratory en Louisiana State University heeft nauwkeurig de bèta-vervaleigenschappen van de "spiegel"-kernen lithium-8 en boor-8 gemeten om de zwakke kernkracht beter te begrijpen. Spiegelkernen hebben hetzelfde totale aantal protonen en neutronen, maar de aantallen van elk deeltje zijn omgekeerd. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
Spiegelkernen bieden de mogelijkheid om de zwakke kernkracht met verhoogde gevoeligheid te bestuderen. De voorspelde signatuur van veel van de gezochte nieuwe effecten zou aanleiding geven tot tegengestelde bijdragen in de twee verschillende kernen. Hierdoor zouden wetenschappers de resultaten van lithium-8 en boor-8 kunnen vergelijken om de bijdragen aan het verval van elke kern te isoleren.
Door beide kernen te bestuderen met de Beta-decay Paul Trap, een apparaat dat wolken ionen in vacuüm vasthoudt, bepaalden de onderzoekers met hoge precisie de energieën en richtingen van het uitgezonden bètadeeltje en twee alfadeeltjes. Dankzij deze aanpak konden de onderzoekers de volledige vervaleigenschappen reconstrueren, inclusief de bijdrage van het onzichtbare neutrino.
Het Standaardmodel (SM) voorspelt de verdeling van de emissiehoeken voor het bètadeeltje en neutrino, en elk waargenomen verschil zou nieuwe aspecten van de zwakke kernkracht aan het licht brengen.
Het team was op zoek naar verschillen kleiner dan 1%, waarvoor een grondig begrip van het apparaat en het detectiesysteem nodig was, gecombineerd met een nieuw ontwikkelde eerste-principebenadering met behulp van de ‘Symmetry-Adapted No-Core Shell Model-theorie’ om rekening te houden met een aantal kleine effecten die voortkomen uit de gecompliceerde omgeving van de kern. De resultaten waren de hoogste precisie in hun soort en bevestigden de SM-voorspelling met meer vertrouwen.