Genom ett unikt experiment på Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kärnfysiker har exakt mätt den svaga interaktionen mellan protoner och neutroner. Resultatet kvantifierar teorin om den svaga kraften som förutspås av standardmodellen för partikelfysik.

Lagets svaga kraftobservation, detaljerad i Fysiska granskningsbrev , mättes genom ett precisionsexperiment som kallas n3He, eller n-helium-3, som sprang vid ORNL:s Spallation Neutron Source, eller SNS. Deras fynd gav den minsta osäkerheten för alla jämförbara svaga kraftmätningar i atomkärnan hittills, som fastställer ett viktigt riktmärke.

Standardmodellen beskriver de grundläggande byggstenarna i materia i universum och de grundläggande krafter som verkar mellan dem. Att beräkna och mäta den svaga kraften mellan protoner och neutroner är en extremt svår uppgift.

"Eftersom interaktionerna vi letar efter är mycket svaga, effekterna som vi vill upptäcka i precisionskärnfysiska experiment är mycket små och, därför, extremt svårt att observera, "sa David Bowman, medförfattare och teamledare för grundläggande neutronfysik vid ORNL.

Den svaga kraften är en av fyra grundkrafter i naturen, tillsammans med den starka kärnkraften, elektromagnetism och gravitation, och beskriver interaktioner mellan subatomära partiklar som kallas kvarker som utgör protoner och neutroner. Den svaga kraften är också ansvarig för en atoms radioaktiva sönderfall. Vissa mekanismer för den svaga kraften är bland de minst förstådda aspekterna av standardmodellen.

Att upptäcka de svårfångade svaga interaktionerna kräver experiment med hög precision, ledd av stora internationella team med en toppmodern apparat och en kallneutronkälla i världsklass med mycket högt neutronflöde, såsom Fundamental Neutron Physics Beamline vid SNS. Neutroner som produceras vid SNS är idealiska för precisionsexperiment som tar upp den roll den svaga kraften spelar i reaktionen mellan neutroner och andra kärnor.

Bowman, en ledande forskare inom detta område, har studerat kärnfysik och subatomära interaktioner sedan början av 1960 -talet.

"I början, det fanns fenomenologiska kärnmodeller som togs ur empirisk forskningssynpunkt. Men, under de senaste åren, det har skett stora framsteg i beräkningarna av svaga kraftinteraktioner i kärnkraftsmiljön, "sa han." Nya kärntekniker har blivit tillgängliga med olika grader av frihet, och beräkningarna är nu på en mycket avancerad nivå. "

Forskarnas senaste experiment fokuserade på helium-3, som är en lätt och stabil isotop som består av två protoner och en neutron, det enda elementet i naturen som har fler protoner än neutroner i kärnan. "När en neutron och en helium-3-kärna kombineras, reaktionen ger upphetsning, instabil helium-4-isotop, sönderfaller till en proton och en triton (bestående av två neutroner och en proton), som båda producerar en liten men detekterbar elektrisk signal när de rör sig genom heliumgasen i målcellen, "sa Michael Gericke, motsvarande författare och professor för subatomär fysik vid University of Manitoba.

N-helium-3-experimentet använde samma neutronstråle, polarisator och diagnostik som sin föregångare, NPDGamma, som använde ett flytande vätemål som producerade gammastrålning från neutron-proton-interaktioner. Teamet fann att fler gammastrålningar går ner än upp med avseende på neutronspinnriktning, vilket ledde till framgångsrik mätning av en spegelasymmetrisk komponent i den svaga kraften.

Liknar NPDGamma, n-helium-3-experimentet är kulmen på ett decennium av forskning, förberedelse och analys. Experimentets konfiguration skapade en extremt låg bakgrundsmiljö där neutroner kan styras innan de kommer in i en behållare med helium-3-gas. Gericke ledde gruppen som byggde det kombinerade helium-3-målet och detektorsystemet utformat för att ta upp de mycket små signalerna och ledde den efterföljande analysen.

I experimentet, en stråle av långsamma rörelser, eller kallt, neutroner vid SNS gick in i helium-3-målet. Ett instrument var utformat för att styra kärnspinnriktningen för helium-3-atomerna. När neutronerna interagerar med magnetfältet, en annan apparat vred sin rotationsriktning antingen uppåt eller nedåt, definiera centrifugeringsstatus. När neutronerna nådde målet, de interagerade med protonerna inom helium-3-atomerna, skickar ut de strömsignaler som mättes med känslig elektronik.

"Vi var tvungna att utveckla en unik målgascell som samtidigt fungerade som en positionskänslig detektor för att mäta de subatomära produkterna av reaktionen, "Sa Gericke.

"För att tillgodose olika driftförhållanden för detta experiment, vi uppfann en ny apparat som behövs för att vända neutronernas rotationsriktning precis innan de reagerade med helium-3-målet, "sa medförfattare och kärnfysikprofessor Christopher Crawford från University of Kentucky." Denna universella snurrflipper kunde arbeta i det stora neutronhastighetsområdet med hög effektivitet. "

Svaga kraftförsök måste ha att göra med den dominerande karaktären hos den starka kraften och bakgrundsljud som kan snedvrida data. "N-helium-3-experimentet måste vara känsligt för mycket små effekter-100 miljoner gånger mindre än bakgrunden, "Crawford sa." Det liknar att söka efter en 1-tums nål i en 40 fot hög ladugård full av hö. "

I ungefär ett år, teamet samlade in och analyserade data för att fastställa styrkan hos paritetsbrottet, som är en specifik egenskap hos den svaga kraften mellan en neutron och en proton. Detta fenomen är unikt för den svaga kraften och observeras inte i den starka kraften, elektromagnetism eller gravitation.

N-helium-3 utnyttjade symmetrin hos den experimentella konfigurationen som erhållits genom den välkontrollerade neutronpolarisationen, genom att mäta en kombination av neutronspinn och utgående fart i reaktionsprodukter för båda neutronpolarisationerna. "Detta har en viss handlighet, "Sa Crawford." Eftersom höger och vänster hand ser motsatt i spegeln, denna observation var helt okänslig för effekterna av de tre andra krafterna. "

Resultaten av n-helium-3, tillsammans med NPDGamma, har förändrat sättet kärnfysiker förstår rollen för den svaga kraften i atomkärnor. Båda hjälper till att svara på enastående frågor i standardmodellen genom förmågan att göra korrekta beräkningar.

"Vad händer nu efter det här, vi behöver fler mätningar - precis som dessa mycket exakta mätningar vi får på SNS, "Sade Bowman." Framsteg inom detta område kräver en dialog mellan experimenterna och teoretikerna. När resultaten från experiment som vårt blir tillgängliga, de jämför teorier, och det gör att teoretiker kan förbättra modellerna som förutsäger nya observerbara ämnen som sedan kan vara experimentellt tillgängliga. "