Uma equipe de cientistas mediu pela primeira vez a indescritível interação fraca entre prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. Eles haviam escolhido o núcleo mais simples consistindo de um nêutron e um próton para o estudo.

Por meio de um experimento de nêutrons exclusivo no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, físicos experimentais resolveram a força fraca entre as partículas no núcleo do átomo, previsto no Modelo Padrão que descreve as partículas elementares e suas interações.

Seu resultado é sensível a aspectos sutis da forte força entre as partículas nucleares, que ainda é mal compreendido.

A observação da equipe, descrito em Cartas de revisão física , culmina décadas de trabalho realizado com um aparelho conhecido como NPDGamma. A primeira fase do experimento ocorreu no Laboratório Nacional de Los Alamos. Com base no conhecimento adquirido no LANL, a equipe mudou o projeto para ORNL para aproveitar as vantagens da alta intensidade do feixe de nêutrons produzida na Fonte de Nêutrons de Espalação do laboratório.

Prótons e nêutrons são feitos de partículas menores chamadas quarks que são unidas pela forte interação, que é uma das quatro forças conhecidas da natureza:força forte, eletromagnetismo, força fraca e gravidade. A força fraca existe na pequena distância dentro e entre prótons e nêutrons; a forte interação confina quarks em nêutrons e prótons.

A força fraca também conecta o spin axial e a direção do movimento das partículas nucleares, revelando aspectos sutis de como os quarks se movem dentro dos prótons e nêutrons.

"O objetivo do experimento era isolar e medir um componente dessa interação fraca, que se manifestam como raios gama que podem ser contados e verificados com alta precisão estatística, "disse David Bowman, co-autor e líder da equipe de física de nêutrons no ORNL. "Você tem que detectar muitas gamas para ver este pequeno efeito."

O Experimento NPDGamma, o primeiro a ser realizado na linha de feixe de física de nêutrons fundamentais do SNS, nêutrons frios canalizados em direção a um alvo de hidrogênio líquido. O aparelho foi projetado para controlar a direção de rotação dos nêutrons que se movem lentamente, "invertendo" as posições de rotação para cima e para baixo, conforme desejado. Quando os nêutrons manipulados se chocaram contra o alvo, eles interagiram com os prótons dentro dos átomos do hidrogênio líquido, enviando raios gama que foram medidos por sensores especiais.

Depois de analisar os raios gama, os cientistas encontraram assimetria violadora de paridade, que é uma mudança específica no comportamento da força entre um nêutron e um próton. "Se a paridade fosse conservada, um núcleo girando à direita e outro girando à esquerda - como se fossem imagens espelhadas - resultaria em um número igual de gamas emitidos para cima e para baixo, "Bowman explicou.

"Mas, na verdade, observamos que mais gama descem do que sobem, que levam a isolar e medir com sucesso um componente assimétrico-espelho da força fraca. "

Os cientistas realizaram o experimento inúmeras vezes por cerca de duas décadas, contar e caracterizar os raios gama e coletar dados desses eventos com base na direção de rotação dos nêutrons e outros fatores.

A alta intensidade do SNS, junto com outras melhorias, permitiu uma taxa de contagem quase 100 vezes maior em comparação com a operação anterior no Los Alamos Neutron Science Center.

Os resultados do Experimento NPDGamma preencheram uma informação vital, no entanto, ainda existem teorias a serem testadas.

"Existe uma teoria para a força fraca entre os quarks dentro do próton e do nêutron, mas a forma como a força forte entre os quarks se traduz na força entre o próton e o nêutron não é totalmente compreendida, "disse W. Michael Snow, co-autor e professor de física nuclear experimental na Universidade de Indiana. "Esse ainda é um problema não resolvido."

Ele comparou a medição da força fraca em relação à força forte como uma espécie de traçador, semelhante a um rastreador em biologia que revela um processo de interesse em um sistema sem perturbá-lo.

"A interação fraca nos permite revelar algumas características únicas da dinâmica dos quarks dentro do núcleo de um átomo, "Neve adicionada.