Medições de decaimento beta em núcleos espelhados identificam a força nuclear fraca
Esquerda:Os núcleos "espelho" de lítio-8 e boro-8 sofrem decaimento beta e depois se dividem em duas partículas alfa. À direita:Íons radioativos do acelerador ATLAS no Laboratório Nacional de Argonne são suspensos no vácuo usando um dispositivo de captura de íons. Crédito:A. Gallant (esquerda) e Laboratório Nacional Lawrence Livermore (direita) O Modelo Padrão da Física de Partículas é a melhor compreensão que os cientistas têm das forças que descrevem como as partículas subatômicas interagem. O Modelo Padrão abrange quatro forças:a força nuclear forte, a força nuclear fraca, a força eletromagnética e a força gravitacional. Todas as quatro forças governam a forma como o nosso universo funciona. No entanto, a força nuclear fraca é excepcionalmente difícil de estudar, pois é ofuscada pelos efeitos muito maiores das forças nuclear forte e eletromagnética.
Os cientistas obtiveram novos insights sobre a força nuclear fraca a partir de estudos detalhados dos decaimentos beta dos núcleos "espelho" de lítio-8 e boro-8. Núcleos espelho são átomos com números invertidos de prótons e nêutrons. Por exemplo, o lítio-8 tem três prótons e cinco nêutrons, enquanto o boro-8 tem cinco prótons e três nêutrons.
Os cientistas realizaram uma medição nova e mais sensível das propriedades do decaimento beta para procurar uma característica teorizada da força nuclear fraca que não está atualmente incluída no Modelo Padrão. A força nuclear fraca impulsiona o processo de decaimento beta nuclear. No decaimento beta, um próton ou nêutron em um núcleo emite uma partícula beta (um elétron ou sua antipartícula, um pósitron) e um neutrino.
As propriedades dos decaimentos beta dos núcleos espelhados radioativos lítio-8 e boro-8 estão em perfeita concordância com as previsões do Modelo Padrão. Este esforço combina métodos experimentais e teóricos de última geração e abre caminho para avanços futuros no estudo da força nuclear fraca.
Uma equipe de cientistas nucleares do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade Estadual da Louisiana mediu com precisão as propriedades de decaimento beta dos núcleos "espelho" de lítio-8 e boro-8 para compreender melhor a força nuclear fraca. Os núcleos espelho têm o mesmo número total de prótons e nêutrons, mas os números de cada partícula são invertidos. As descobertas foram publicadas na revista Physical Review Letters .
Os núcleos espelho oferecem uma oportunidade para estudar a força nuclear fraca com maior sensibilidade. A assinatura prevista de muitos dos novos efeitos procurados daria origem a contribuições opostas nos dois núcleos diferentes. Isso permitiria aos cientistas comparar os resultados do lítio-8 e do boro-8 para isolar as contribuições para o decaimento de cada núcleo.
Ao estudar ambos os núcleos com o Paul Trap de decaimento beta, um dispositivo que mantém nuvens de íons no vácuo, os pesquisadores determinaram as energias e direções da partícula beta emitida e de duas partículas alfa com alta precisão. Esta abordagem permitiu aos investigadores reconstruir todas as propriedades de decaimento, incluindo a contribuição do neutrino invisível.
O Modelo Padrão (SM) prevê a distribuição dos ângulos de emissão para a partícula beta e o neutrino, e qualquer diferença observada revelaria novos aspectos da força nuclear fraca.
A equipe estava procurando diferenças menores que 1%, o que exigia uma compreensão completa do aparelho e do sistema de detecção, emparelhado com uma abordagem de primeiro princípio recém-desenvolvida usando a "teoria do modelo No-Core Shell adaptado à simetria" para explicar uma série de pequenos efeitos que surgem do ambiente complicado do núcleo. Os resultados foram os mais precisos do gênero e confirmaram a previsão do SM com maior confiança.
