CREX Collaboration, en stor grupp forskare från olika universitet världen över som är involverade i Calcium Radius Experiment (CREX), har nyligen samlat in en exakt mätning av den trasiga spegelsymmetrin i den elastiska spridningen av longitudinellt polariserade elektroner i ⁴⁸ Ca som är en signatur för den kärnsvaga kraften. Deras mätning gjorde det möjligt för dem att bestämma skillnaden i fördelningen av neutroner och protoner inom ⁴⁸ Ca kärna. Deras experiment utfördes vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), i Newport News, Virginia.

"Experimentet vi genomförde är mycket utmanande, eftersom den svaga interaktionen är en svag viskning av en effekt i spridningen av elektroner från kärnor, som domineras av den elektriska laddningen av elektronen och protonerna i kärnan," Kent Paschke, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Det faktum att den svaga interaktionen bryter spegelsymmetri, och att svag interaktion är mycket starkare med neutroner än med protoner, gör denna mätning möjlig."

Idén att mäta neutronfördelningen i kärnor med hjälp av den svaga interaktionen i elektronspridning har funnits i årtionden. Behovet av att samla in denna mätning har dock nyligen blivit mer pressande, på grund av förbättringar i den vetenskapliga förståelsen av kärnkraftsstrukturer, medan experimentella tekniker förbättrats för att hjälpa till att förverkliga denna idé.

"Eftersom elektron-nukleär spridning domineras av den elektromagnetiska interaktionen, för att ens se effekten av den svaga interaktionen måste man titta på något som bara den svaga interaktionen kan göra," förklarade Paschke. "Den svaga interaktionen, ensam bland de kända fundamentala krafterna, respekterar inte spegelsymmetri, så vi kan se dess effekt i skillnaden i spridningshastighet mellan konfigurationer som är spegelbilder av varandra."

Det senaste arbetet av Paschke och hans kollegor är baserat på nya experimentella tekniker för att samla in högprecisionsmätningar. I sina experiment samlade forskarna specifikt in sina mätningar med hjälp av en polariserad elektronstråle.

"En elektron, polariserad längs sin rörelseriktning, elastisk spridning i någon specifik vinkel från ett opolariserat kärnmål, är en exakt spegelbild av samma spridning men med elektronspinnet omvänt, pekar mot dess rörelseriktning," Paschke sa. "Effekten av den svaga interaktionen i spridningsprocessen mättes som förändringen i spridningshastigheten när strålpolarisationen vänds för att vara längs med eller mot strålriktningen."

Effekten undersökt av Paschke och hans kollegor är otroligt liten. I sina experiment mätte de en elastisk spridningshastighet som var större eller mindre med endast 2,7 delar per miljon, eller 0,00027 %, beroende på elektronens spinn. För att exakt mäta en så liten skillnad observerade forskarna mer än 100 biljoner elastiska spridningshändelser. De måste också vara säkra på att inget annat hade förändrats medan de bläddrade mellan konfigurationer.

"Denna formfaktor kan tolkas för att ge tjockleken på "huden" av svag laddning runt kärnan, det vill säga överskottet av medelradien för den svaga laddningssfären jämfört med den för den elektromagnetiska laddningen," sa Paschke. "Eftersom svag laddning till övervägande del består av neutroner, kan detta också tolkas som neutronskalet hos Ca-48, det vill säga radien för neutronfördelningen minus radien för protonfördelningen."

Mätningen som samlats in av Paschke och hans kollegor visar att neutronhuden hos Ca-48 är mindre än vad de flesta teoretiska modeller hade förutspått. Detta tyder på att tillståndsekvationen (dvs en ekvation som beskriver förändringen i bindningsenergi vs densitet) är mjukare än förväntat, så energikostnaden för en neutronrik kärna med högre densitet är mindre än vad vissa hade trott.

När de analyserade sina observationer fann CREX Collaboration att de var i linje med några teoretiska beräkningar. Icke desto mindre sätter deras upptäckt nya begränsningar för befintliga teoretiska modeller, särskilt när det gäller neutronskinnet hos Ca-48.

"Våra fynd blir ännu mer intressanta när vi jämför detta resultat med resultatet vi släppte förra året, för en liknande mätning med den mycket tyngre Pb-208 kärnan," sa Paschke. "Det resultatet antydde en betydligt tjockare hud för Pb-208 än vad som förväntades. Nukleära strukturmodeller tenderar att föreslå att dessa resultat bör korreleras - en tunn hud i ett system borde vara en tunn hud i det andra systemet. På detta sätt kontrasten mellan de två mätningarna är lite överraskande och ger en utmaning för den teoretiska beskrivningen av kärnor."

Den nya mätningen som samlats in av CREX Collaboration är extremt enkel att tolka, med minimala och brett etablerade teoretiska korrigeringar. Detta betyder att deras mätmetod är ett värdefullt sätt att undersöka denna dåligt begränsade frihetsgrad i kärntekniska strukturer.

"Mätningarna vi samlat in är mycket svåra att uppnå, så i slutändan lämnar mätningarnas precision ett stort rörelseutrymme för modellerna," sa Paschke. "Det finns flera moderna modeller som stämmer överens med allt annat vi vet om kärnor, samtidigt som de bara är i mild spänning med våra resultat. Det vill säga att vissa modeller inte håller med det centrala värdet av våra mätningar, men bara i en mängd som rimligen kan vara förklaras av den inneboende precisionen i våra experimentella resultat."

I huvudsak, även om forskarnas resultat inte motbevisar befintlig kärnkraftsteori, lägger de nya viktiga begränsningar på den. Dessutom skulle de experimentella metoder de utvecklade kunna användas för framtida studier.

"De metoder vi använde för att kontrollera, karakterisera och korrigera för variationer i strålbanan visade sig vara mer exakta och robusta i Pb-208-mätningen än i någon tidigare mätning," sa Paschke.

För att samla in sina mätningar på Ca-48 använde CREX Collaboration två kompletterande tekniker som gjorde det möjligt för dem att detektera strålpolarisationen med en oöverträffad precisionsnivå. I framtiden skulle dessa tekniker kunna användas för att mäta den svaga interaktionen i elektronspridningen med hög precision.

"Att avsevärt förbättra precisionen med antingen Pb-208- eller Ca-48-kärnorna skulle vara mycket spännande, men det skulle vara svårt att förbättra dessa mätningar vid den här anläggningen," sa Paschke. "Vi har verkligen drivit tekniken på JLab ungefär så långt det kan gå. Det finns några planer på att göra mätningar med en dedikerad apparat den nya MESA-anläggningen som byggs i Mainz, och det är mycket viktigt att utforska den möjligheten."

Några av medlemmarna från CREX Collaboration arbetar nu med nya, högprecisionsexperiment på JLab. Deras nuvarande ansträngningar fokuserar specifikt på att söka efter nya grundläggande interaktioner utöver standardmodellen.

"MOLLER-experimentet kommer också att börja ta data om några år, med hjälp av tekniker som förfinats av dessa Ca-48- och Pb-208-mätningar, för att uppnå en aldrig tidigare skådad känslighet för ny fysik i interaktionen mellan två elektroner," tillade Paschke. + Utforska vidare

Fysiker räknar neutronstjärneguld från mätning av bly

© 2022 Science X Network