Experimentos no CERN e no Laboratório de Aceleradores em Jyväskylä, Finlândia, revelaram que o raio de um núcleo exótico de alumínio, ^26m Al, é muito maior do que se pensava anteriormente. O resultado, descrito em um artigo publicado recentemente na Physical Review Letters , esclarece os efeitos da força fraca nos quarks – as partículas elementares que constituem prótons, nêutrons e outras partículas compostas.



Entre as quatro forças fundamentais da natureza conhecidas – a força eletromagnética, a força forte, a força fraca e a gravidade – a força fraca pode, com uma certa probabilidade, alterar o “sabor” de um quark. O Modelo Padrão da física de partículas, que descreve todas as partículas e as suas interacções entre si, não prevê o valor desta probabilidade, mas, para um determinado sabor de quark, prevê que a soma de todas as probabilidades possíveis seja exactamente 1. Portanto, a soma das probabilidades oferece uma maneira de testar o Modelo Padrão e procurar por uma nova física:se a soma das probabilidades for diferente de 1, isso implicaria uma nova física além do Modelo Padrão.

Curiosamente, a soma das probabilidades envolvendo o quark up está presentemente em tensão aparente com a unidade esperada, embora a força da tensão dependa dos cálculos teóricos subjacentes. Esta soma inclui as respectivas probabilidades do quark down, do quark estranho e do quark bottom se transformar no quark up.

A primeira destas probabilidades manifesta-se no decaimento beta de um núcleo atómico, no qual um neutrão (feito de um quark up e dois quarks down) se transforma num protão (composto por dois quarks up e um quark down) ou vice-versa. No entanto, devido à estrutura complexa dos núcleos atômicos que sofrem decaimentos beta, uma determinação exata desta probabilidade geralmente não é viável.

Os pesquisadores recorrem assim a um subconjunto de decaimentos beta que são menos sensíveis aos efeitos da estrutura nuclear para determinar a probabilidade. Entre as várias quantidades necessárias para caracterizar tais decaimentos beta "superpermitidos" está o raio (de carga) do núcleo em decomposição.

É aqui que aparece o novo resultado para o raio dos ^26m Entra em cena o núcleo Al, que sofre um decaimento beta superpermitido. O resultado foi obtido medindo a resposta do ^26m Núcleo Al para luz laser em experimentos conduzidos nas instalações ISOLDE do CERN e nas instalações IGISOL do Laboratório Acelerador. O novo raio, uma média ponderada dos conjuntos de dados ISOLDE e IGISOL, é muito maior do que o previsto, e o resultado é um enfraquecimento da atual tensão aparente na soma de probabilidades envolvendo o quark up.

"Os raios de carga de outros núcleos que sofrem decaimentos beta superpermitidos foram medidos anteriormente no ISOLDE e em outras instalações, e esforços estão em andamento para determinar o raio de ⁵⁴ Co na IGISOL", explica o físico do ISOLDE e principal autor do artigo, Peter Plattner. "Mas ^26m Al é um caso bastante único, pois, embora seja o mais precisamente estudado de tais núcleos, o seu raio permaneceu desconhecido até agora e, como se constata, é muito maior do que o assumido no cálculo da probabilidade do quark down transformando-se no quark up."

“As pesquisas por nova física além do Modelo Padrão, incluindo aquelas baseadas nas probabilidades de mudança de sabor dos quarks, são frequentemente um jogo de alta precisão”, diz o teórico do CERN Andreas Juttner. "Este resultado sublinha a importância de examinar todos os resultados experimentais e teóricos relevantes de todas as maneiras possíveis."

Experiências passadas e presentes de física de partículas em todo o mundo, incluindo a experiência LHCb no Large Hadron Collider, contribuíram, e continuam a contribuir, significativamente para o nosso conhecimento dos efeitos da força fraca nos quarks através da determinação de várias probabilidades de um sabor de quark. mudar. No entanto, as experiências de física nuclear sobre decaimentos beta superpermitidos oferecem actualmente a melhor forma de determinar a probabilidade de o quark down se transformar no quark up, e este pode muito bem continuar a ser o caso num futuro próximo.

Mais informações: P. Plattner et al, Nuclear Charge Radius of Al26m and Its Implication for Vud in the Quark Mixing Matrix, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.222502
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