Experimenten bij CERN en het Accelerator Laboratory in Jyväskylä, Finland, hebben aangetoond dat de straal van een exotische kern van aluminium, ^26m Al is veel groter dan eerder werd gedacht. Het resultaat, beschreven in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in Physical Review Letters , werpt licht op de effecten van de zwakke kracht op quarks – de elementaire deeltjes waaruit protonen, neutronen en andere samengestelde deeltjes bestaan.

Van de vier bekende fundamentele natuurkrachten – de elektromagnetische kracht, de sterke kracht, de zwakke kracht en de zwaartekracht – kan de zwakke kracht met een zekere waarschijnlijkheid de ‘smaak’ van een quark veranderen. Het Standaardmodel van de deeltjesfysica, dat alle deeltjes en hun interacties met elkaar beschrijft, voorspelt niet de waarde van deze waarschijnlijkheid, maar voorspelt voor een bepaalde quarksmaak wel dat de som van alle mogelijke kansen precies 1 is. Daarom geldt:de waarschijnlijkheidssom biedt een manier om het standaardmodel te testen en te zoeken naar nieuwe natuurkunde:als blijkt dat de waarschijnlijkheidssom anders is dan 1, zou dit nieuwe natuurkunde impliceren die verder gaat dan het standaardmodel.

Interessant is dat de waarschijnlijkheidssom waarbij de up-quark betrokken is momenteel schijnbaar in spanning staat met de verwachte eenheid, hoewel de sterkte van de spanning afhangt van de onderliggende theoretische berekeningen. Deze som omvat de respectievelijke kansen dat de down-quark, de vreemde quark en de bottom-quark transformeren in de up-quark.

De eerste van deze kansen manifesteert zich in het bèta-verval van een atoomkern, waarbij een neutron (bestaande uit één up-quark en twee down-quarks) verandert in een proton (bestaande uit twee up-quarks en één down-quark) of omgekeerd. Vanwege de complexe structuur van de atoomkernen die bèta-verval ondergaan, is een exacte bepaling van deze waarschijnlijkheid over het algemeen echter niet haalbaar.

Onderzoekers wenden zich daarom tot een subset van bèta-verval die minder gevoelig zijn voor de effecten van de nucleaire structuur om de waarschijnlijkheid te bepalen. Een van de verschillende grootheden die nodig zijn om dergelijk 'supertoegestaan' bèta-verval te karakteriseren, is de (ladings)straal van de rottende kern.

Dit is het nieuwe resultaat voor de straal van ^26m Al-nucleus, die een supertoegestaan ​​bèta-verval ondergaat, komt binnen. Het resultaat werd verkregen door de respons van de ^26m te meten Al-nucleus voor laserlicht in experimenten uitgevoerd in de ISOLDE-faciliteit van CERN en de IGISOL-faciliteit van het Accelerator Laboratory. De nieuwe straal, een gewogen gemiddelde van de ISOLDE- en IGISOL-datasets, is veel groter dan voorspeld, en het resultaat is een verzwakking van de huidige schijnbare spanning in de waarschijnlijkheidssom waarbij de up-quark betrokken is.

"Ladingsstralen van andere kernen die supertoegestaan ​​bèta-verval ondergaan, zijn eerder gemeten bij ISOLDE en andere faciliteiten, en er worden pogingen ondernomen om de straal van ⁵⁴ te bepalen Co bij IGISOL", legt ISOLDE-fysicus en hoofdauteur van het artikel, Peter Plattner, uit. "Maar ^26m Al is een vrij uniek geval omdat, hoewel het de meest nauwkeurig bestudeerde van dergelijke kernen is, de straal ervan tot nu toe onbekend is gebleven, en, zoals blijkt, veel groter is dan aangenomen bij de berekening van de waarschijnlijkheid van de down-quark. transformeren in de up-quark."

“Zoekopdrachten naar nieuwe natuurkunde buiten het Standaardmodel, inclusief die gebaseerd op de waarschijnlijkheid dat quarks van smaak veranderen, zijn vaak een spel met hoge precisie”, zegt CERN-theoreticus Andreas Juttner. "Dit resultaat onderstreept het belang van het onderzoeken van alle relevante experimentele en theoretische resultaten op alle mogelijke manieren."

Eerdere en huidige deeltjesfysica-experimenten over de hele wereld, waaronder het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider, hebben aanzienlijk bijgedragen en zullen nog steeds bijdragen aan onze kennis van de effecten van de zwakke kracht op quarks door het bepalen van verschillende waarschijnlijkheden van een quark-smaak. wijziging. Kernfysische experimenten met supertoegestaan ​​bèta-verval bieden momenteel echter de beste manier om de waarschijnlijkheid te bepalen dat de down-quark transformeert in de up-quark, en dit zou in de nabije toekomst wel eens het geval kunnen blijven.

Meer informatie: P. Plattner et al, Nucleaire ladingsradius van Al26m en de implicaties ervan voor Vud in de Quark Mixing Matrix, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.222502

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Geleverd door CERN