Por meio de um experimento único no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, os físicos nucleares mediram com precisão a interação fraca entre prótons e nêutrons. O resultado quantifica a teoria da força fraca conforme previsto pelo Modelo Padrão de Física de Partículas.

A observação da força fraca da equipe, detalhado em Cartas de revisão física , foi medido por meio de um experimento de precisão chamado n3He, ou n-hélio-3, que funcionou na Fonte de Nêutrons de Espalação do ORNL, ou SNS. Sua descoberta gerou a menor incerteza de qualquer medição de força fraca comparável no núcleo de um átomo até o momento, que estabelece uma referência importante.

O modelo padrão descreve os blocos básicos de construção da matéria no universo e as forças fundamentais que atuam entre eles. Calcular e medir a força fraca entre prótons e nêutrons é uma tarefa extremamente difícil.

"Como as interações que procuramos são muito fracas, os efeitos que queremos detectar em experimentos de física nuclear de precisão são muito pequenos e, Portanto, extremamente difícil de observar, "disse David Bowman, co-autor e líder de equipe de física fundamental de nêutrons no ORNL.

A força fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza, junto com a forte força nuclear, eletromagnetismo e gravidade, e descreve as interações entre partículas subatômicas chamadas quarks que constituem prótons e nêutrons. A força fraca também é responsável pela decadência radioativa de um átomo. Certos mecanismos da força fraca estão entre os aspectos menos compreendidos do Modelo Padrão.

Detectar as interações fracas evasivas requer experimentos de alta precisão, liderado por grandes equipes internacionais com um aparato de última geração e uma fonte de nêutrons frios de classe mundial com um fluxo de nêutrons muito alto, como a linha de feixe de física de nêutrons fundamentais no SNS. Os nêutrons produzidos no SNS são ideais para experimentos de precisão que abordam o papel que a força fraca desempenha na reação entre os nêutrons e outros núcleos.

Arqueiro, um cientista líder neste campo, tem estudado física nuclear e interações subatômicas desde o início dos anos 1960.

"No início, havia modelos nucleares fenomenológicos colhidos de um ponto de vista de pesquisa empírica. Mas, nos últimos anos, houve grandes avanços nos cálculos de interações de força fraca no ambiente nuclear, "disse ele." Novas técnicas nucleares tornaram-se disponíveis com diferentes graus de liberdade, e os cálculos agora estão em um nível muito avançado. "

O último experimento dos cientistas focou no hélio-3, que é um isótopo leve e estável que consiste em dois prótons e um nêutron, o único elemento na natureza que tem mais prótons do que nêutrons no núcleo. "Quando um nêutron e um núcleo de hélio-3 se combinam, a reação produz uma excitação, isótopo instável de hélio-4, decaindo para um próton e um tritão (consistindo em dois nêutrons e um próton), ambos produzem um sinal elétrico minúsculo, mas detectável, à medida que se movem através do gás hélio na célula-alvo, "disse Michael Gericke, autor correspondente e professor de física subatômica na Universidade de Manitoba.

O experimento com n-hélio-3 usou a mesma linha de luz de nêutrons, polarizador e diagnóstico como seu predecessor, NPDGamma, que usava um alvo de hidrogênio líquido que produzia raios gama a partir de interações nêutron-próton. A equipe descobriu que mais raios gama descem do que sobem em relação à direção do spin do nêutron, o que levou à medição bem-sucedida de um componente assimétrico-espelho da força fraca.

Semelhante ao NPDGamma, o experimento do n-hélio-3 é o culminar de uma década de pesquisa, preparação e análise. A configuração do experimento criou um ambiente de fundo extremamente baixo, onde nêutrons podem ser controlados antes de entrar em um recipiente de gás hélio-3. Gericke liderou o grupo que construiu o sistema combinado de detector e alvo de hélio-3 projetado para captar os sinais muito pequenos e conduziu a análise subsequente.

No experimento, um feixe de movimento lento, ou frio, nêutrons no SNS entraram no alvo de hélio-3. Um instrumento foi projetado para controlar a direção do spin nuclear dos átomos de hélio-3. Quando os nêutrons interagem com o campo magnético, outro aparelho mudou sua direção de rotação para cima ou para baixo, definindo o estado de rotação. Quando os nêutrons alcançaram o alvo, eles interagiram com os prótons dentro dos átomos de hélio-3, enviando os sinais de corrente que foram medidos por eletrônicos sensíveis.

"Tivemos que desenvolver uma célula de gás alvo única que servisse simultaneamente como um detector sensível à posição para medir os produtos subatômicos da reação, "Gericke disse.

"Para acomodar as diferentes condições de execução deste experimento, inventamos um novo aparato necessário para reverter a direção de rotação dos nêutrons antes que eles reagissem com o alvo de hélio-3, "disse o co-autor e professor de física nuclear Christopher Crawford, da University of Kentucky." Este inversor de rotação universal foi capaz de operar em uma grande faixa de velocidade de nêutrons com alta eficiência. "

Os experimentos de força fraca precisam lidar com a natureza dominante da força forte e do ruído de fundo que pode distorcer os dados. "O experimento com n-hélio-3 teve que ser sensível a efeitos muito pequenos - 100 milhões de vezes menor que o fundo, "Crawford disse." Isso é semelhante a procurar uma agulha de 1 polegada em um celeiro de 12 metros de altura cheio de feno. "

Por cerca de um ano, a equipe coletou e analisou os dados para determinar a força da violação de paridade, que é uma propriedade específica da força fraca entre um nêutron e um próton. Este fenômeno é exclusivo da força fraca e não é observado na força forte, eletromagnetismo ou gravidade.

O N-hélio-3 explorou a simetria da configuração experimental obtida pela polarização de nêutrons bem controlada, medindo uma combinação do spin do nêutron e do momento de saída dos produtos de reação para ambas as polarizações de nêutrons. "Isso tem uma certa destreza, "Crawford disse." Como as mãos direita e esquerda parecem opostas no espelho, esta observação foi completamente insensível aos efeitos das outras três forças. "

Os resultados do n-hélio-3, junto com NPDGamma, mudaram a maneira como os físicos nucleares entendem o papel da força fraca nos núcleos atômicos. Ambos ajudam a responder a perguntas pendentes no Modelo Padrão por meio da capacidade de fazer cálculos precisos.

"Agora o que vai acontecer depois disso, precisamos de mais medições - como essas medições muito precisas que obtemos no SNS, "Bowman disse." Avanços neste campo requerem um diálogo entre os experimentalistas e teóricos. À medida que resultados de experimentos como o nosso se tornam disponíveis, eles avaliam teorias, e isso permite aos teóricos melhorar os modelos que prevêem novos observáveis ​​que então poderiam ser alcançados experimentalmente. "