Ett team av forskare har för första gången mätt den svårfångade svaga interaktionen mellan protoner och neutroner i en atoms kärna. De hade valt den enklaste kärnan bestående av en neutron och en proton för studien.

Genom ett unikt neutronexperiment vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, experimentella fysiker löste den svaga kraften mellan partiklarna i atomens kärna, förutspått i standardmodellen som beskriver elementarpartiklarna och deras interaktioner.

Deras resultat är känsligt för subtila aspekter av den starka kraften mellan kärnpartiklar, som fortfarande är dåligt förstådd.

Teamets observation, beskrivs i Fysiska granskningsbrev , kulminerar årtionden av arbete utfört med en apparat som kallas NPDGamma. Den första fasen av experimentet ägde rum vid Los Alamos National Laboratory. Att bygga vidare på kunskapen från LANL, teamet flyttade projektet till ORNL för att dra fördel av den höga neutronstråleintensiteten som produceras vid labbets Spallation Neutron Source.

Protoner och neutroner är gjorda av mindre partiklar som kallas kvarkar som binds samman av den starka interaktionen, som är en av de fyra kända naturkrafterna:stark kraft, elektromagnetism, svag kraft och gravitation. Den svaga kraften finns i det lilla avståndet inom och mellan protoner och neutroner; den starka interaktionen begränsar kvarkar i neutroner och protoner.

Den svaga kraften förbinder också kärnpartiklarnas axiella spinn och rörelseriktning, avslöjar subtila aspekter av hur kvarkar rör sig inuti protoner och neutroner.

"Målet med experimentet var att isolera och mäta en komponent i denna svaga interaktion, som manifesterades som gammastrålar som kunde räknas och verifieras med hög statistisk noggrannhet, sa David Bowman, medförfattare och teamledare för neutronfysik på ORNL. "Du måste upptäcka mycket gamma för att se denna lilla effekt."

NPDGamma-experimentet, den första som genomfördes vid Fundamental Neutron Physics Beamline på SNS, kanaliserade kalla neutroner mot ett mål av flytande väte. Apparaten var designad för att styra rotationsriktningen för de långsamt rörliga neutronerna, "vända" dem från spin-up till spin-down positioner efter önskemål. När de manipulerade neutronerna slog in i målet, de interagerade med protonerna i det flytande vätets atomer, sänder ut gammastrålar som mättes av speciella sensorer.

Efter att ha analyserat gammastrålarna, forskarna fann paritetsöverträdande asymmetri, vilket är en specifik förändring i beteendet i kraften mellan en neutron och en proton. "Om paritet bevarades, en kärna som snurrar på det högerhänta sättet och en som snurrar på det vänstra sättet – som om de vore spegelbilder – skulle resultera i att lika många gamma som emitterar neråt, " förklarade Bowman.

"Men, faktiskt, vi observerade att fler gamma går ner än går upp, som leder till att framgångsrikt isolera och mäta en spegel-asymmetrisk komponent av den svaga kraften."

Forskarna körde experimentet flera gånger i ungefär två decennier, räkna och karakterisera gammastrålar och samla in data från dessa händelser baserat på neutronspinriktning och andra faktorer.

Den höga intensiteten hos SNS, tillsammans med andra förbättringar, tillät en räknehastighet som är nästan 100 gånger högre jämfört med tidigare operation vid Los Alamos Neutron Science Center.

Resultaten av NPDGamma-experimentet fyllde i en viktig del av information, men det finns fortfarande teorier att testa.

"Det finns en teori för den svaga kraften mellan kvarkarna inuti protonen och neutronen, men hur den starka kraften mellan kvarkarna översätts till kraften mellan protonen och neutronen är inte helt förstått, " sa W. Michael Snow, medförfattare och professor i experimentell kärnfysik vid Indiana University. "Det är fortfarande ett olöst problem."

Han jämförde mätningen av den svaga kraften i förhållande till den starka kraften som ett slags spårämne, liknar ett spårämne inom biologi som avslöjar en process av intresse i ett system utan att störa det.

"Den svaga interaktionen tillåter oss att avslöja några unika egenskaper hos kvarkarnas dynamik inom kärnan i en atom, " tillade Snow.