A CREX Collaboration, um grande grupo de pesquisadores de diferentes universidades em todo o mundo que estão envolvidos no Calcium Radius Experiment (CREX), recentemente coletou uma medição precisa da simetria do espelho quebrado no espalhamento elástico de elétrons polarizados longitudinalmente em ⁴⁸ Ca que é uma assinatura da força nuclear fraca. Sua medição permitiu que eles determinassem a diferença na distribuição de nêutrons e prótons dentro do ⁴⁸ Núcleo Ca. Seu experimento foi realizado no Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), em Newport News, Virgínia.
"O experimento que conduzimos é muito desafiador, pois a interação fraca é um leve sussurro de um efeito na dispersão de elétrons dos núcleos, que é dominado pela carga elétrica do elétron e prótons no núcleo", disse Kent Paschke, um dos os pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. "O fato de que a interação fraca quebra a simetria do espelho, e essa interação fraca é muito mais forte com nêutrons do que com prótons, torna essa medição possível."

A ideia de medir a distribuição de nêutrons nos núcleos usando a interação fraca no espalhamento de elétrons existe há décadas. No entanto, a necessidade de coletar essa medida tornou-se recentemente mais premente, devido a melhorias na compreensão científica das estruturas nucleares, enquanto as técnicas experimentais foram aprimoradas para ajudar a concretizar essa ideia.

“Como o espalhamento elétron-nuclear é dominado pela interação eletromagnética, para ver o efeito da interação fraca é preciso olhar para algo que apenas a interação fraca pode fazer”, explicou Paschke. "A interação fraca, sozinha entre as forças fundamentais conhecidas, não respeita a simetria do espelho, então podemos ver seu efeito na diferença na taxa de espalhamento entre configurações que são imagens especulares umas das outras."

O trabalho recente de Paschke e seus colegas é baseado em novas técnicas experimentais para coletar medições de alta precisão. Em seus experimentos, os pesquisadores coletaram especificamente suas medições usando um feixe de elétrons polarizado.

"Um elétron, polarizado ao longo de sua direção de movimento, espalhamento elástico em algum ângulo específico de um alvo nuclear não polarizado, é uma imagem espelhada exata do mesmo espalhamento, mas com o spin do elétron invertido, apontando para a direção oposta ao seu movimento", Paschke disse. "O efeito da interação fraca no processo de espalhamento foi medido como a mudança na taxa de espalhamento ao inverter a polarização do feixe para ser ao longo ou contra a direção do feixe."

O efeito investigado por Paschke e seus colegas é incrivelmente pequeno. Em seus experimentos, eles mediram uma taxa de dispersão elástica que era maior ou menor em apenas 2,7 partes por milhão, ou 0,00027%, dependendo do spin do elétron. Para medir com precisão uma diferença tão pequena, os pesquisadores observaram mais de 100 trilhões de eventos de dispersão elástica. Eles também precisavam ter certeza de que nada mais havia mudado enquanto alternavam entre as configurações.

"Esse fator de forma pode ser interpretado para fornecer a espessura da 'pele' de carga fraca ao redor do núcleo, ou seja, o excesso do raio médio da esfera de carga fraca comparado ao da carga eletromagnética", disse Paschke. “Como a carga fraca é predominantemente de nêutrons, isso também pode ser interpretado como a pele de nêutrons do Ca-48, ou seja, o raio da distribuição de nêutrons menos o raio da distribuição de prótons”.

A medição coletada por Paschke e seus colegas mostra que a pele de nêutrons do Ca-48 é menor do que a maioria dos modelos teóricos previam. Isso sugere que a equação de estado (ou seja, uma equação que descreve a mudança na energia de ligação versus densidade) é mais suave do que o esperado, de modo que o custo de energia de um núcleo rico em nêutrons com densidade mais alta é menor do que alguns pensavam.

Ao analisar suas observações, a Colaboração CREX constatou que elas estavam alinhadas com alguns cálculos teóricos. No entanto, sua descoberta estabelece novas restrições aos modelos teóricos existentes, particularmente em termos da pele de nêutrons de Ca-48.

"Nossas descobertas ficam ainda mais interessantes quando comparamos esse resultado com o resultado que divulgamos no ano passado, para uma medição semelhante com o núcleo Pb-208 muito mais pesado", disse Paschke. "Esse resultado implicou uma camada significativamente mais espessa para o Pb-208 do que o esperado. Os modelos de estrutura nuclear tendem a sugerir que esses resultados devem ser correlacionados - uma camada fina em um sistema deve ser uma camada fina no outro sistema. contraste entre as duas medições é um pouco surpreendente e oferece um desafio para a descrição teórica dos núcleos."

A nova medição coletada pela Colaboração CREX é extremamente simples de interpretar, com correções teóricas mínimas e amplamente estabelecidas. Isso significa que seu método de medição é uma maneira valiosa de sondar esse grau de liberdade mal restrito em estruturas nucleares.

"As medições que coletamos são muito difíceis de alcançar, então, no final, a precisão das medições deixa uma margem de manobra significativa para os modelos", disse Paschke. "Existem vários modelos modernos que são consistentes com tudo o que sabemos sobre núcleos, embora estejam apenas em leve tensão com nossos resultados. Ou seja, alguns modelos discordam do valor central de nossas medidas, mas apenas por uma quantidade que pode ser razoavelmente explicado pela precisão intrínseca de nossos resultados experimentais."

Essencialmente, embora os resultados dos pesquisadores não refutem a teoria nuclear existente, eles colocam novas restrições importantes sobre ela. Além disso, os métodos experimentais desenvolvidos por eles poderiam ser usados ​​para estudos futuros.

"Os métodos que usamos para controlar, caracterizar e corrigir variações na trajetória do feixe mostraram-se mais precisos e robustos na medição do Pb-208 do que em qualquer medição anterior", disse Paschke.

Para coletar suas medições no Ca-48, a Colaboração CREX usou duas técnicas complementares que permitiram detectar a polarização do feixe com um nível de precisão sem precedentes. No futuro, essas técnicas poderão ser usadas para medir a interação fraca no espalhamento de elétrons com altos níveis de precisão.

"Melhorar significativamente a precisão com os núcleos Pb-208 ou Ca-48 seria muito empolgante, mas seria difícil melhorar essas medições nesta instalação", disse Paschke. "Nós realmente levamos a técnica no JLab o mais longe possível. Existem alguns planos para fazer medições com um aparelho dedicado nas novas instalações da MESA que estão sendo construídas em Mainz, e é muito importante explorar essa oportunidade."

Alguns dos membros da CREX Collaboration estão agora trabalhando em novos experimentos de alta precisão no JLab. Seus esforços atuais se concentram especificamente na busca de novas interações fundamentais além do modelo padrão.

"O experimento MOLLER também começará a coletar dados em alguns anos, usando técnicas refinadas por essas medições de Ca-48 e Pb-208, para obter uma sensibilidade sem precedentes à nova física na interação entre dois elétrons", acrescentou Paschke. + Explorar mais

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