Standardmodellen för partikelfysik är forskarnas bästa förståelse för de krafter som beskriver hur subatomära partiklar interagerar. Standardmodellen omfattar fyra krafter:den starka kärnkraften, den svaga kärnkraften, den elektromagnetiska kraften och gravitationskraften. Alla fyra krafterna styr hur vårt universum fungerar. Den svaga kärnkraften är dock exceptionellt svår att studera eftersom den överskuggas av de mycket större effekterna av de starka kärnkrafterna och elektromagnetiska krafterna.
Forskare har fått nya insikter om den svaga kärnkraften från detaljerade studier av betasönderfallen av "spegel"-kärnorna litium-8 och bor-8. Spegelkärnor är atomer med omvänt antal protoner och neutroner. Till exempel har litium-8 tre protoner och fem neutroner, medan bor-8 har fem protoner och tre neutroner.
Forskare har utfört en ny, känsligare mätning av beta-sönderfallsegenskaper för att leta efter en teoretiserad egenskap hos den svaga kärnkraften som för närvarande inte ingår i standardmodellen. Den svaga kärnkraften driver processen med nukleär beta-sönderfall. Vid beta-sönderfall avger en proton eller neutron i en kärna en beta-partikel (en elektron eller dess anti-partikel, en positron) och en neutrino.
Egenskaperna för beta-sönderfallen hos de radioaktiva spegelkärnorna litium-8 och bor-8 är i perfekt överensstämmelse med standardmodellens förutsägelser. Denna ansträngning kombinerar toppmoderna experimentella och teoretiska metoder och banar väg för framtida framsteg i studiet av den svaga kärnkraften.
Ett team av kärnkraftsforskare från Lawrence Livermore National Laboratory, Argonne National Laboratory och Louisiana State University mätte exakt beta-sönderfallsegenskaperna hos "spegel"-kärnorna litium-8 och bor-8 för att bättre förstå den svaga kärnkraften. Spegelkärnor har samma totala antal protoner och neutroner, men antalet för varje partikel är omvänt. Resultaten publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Spegelkärnor ger möjlighet att studera den svaga kärnkraften med ökad känslighet. Den förutspådda signaturen av många av de eftertraktade nya effekterna skulle ge upphov till motsatta bidrag i de två olika kärnorna. Detta skulle göra det möjligt för forskare att jämföra resultaten av litium-8 och bor-8 för att isolera bidragen till sönderfallet från varje kärna.
Genom att studera båda dessa kärnor med Beta-sönderfall Paul Trap, en enhet som håller moln av joner i vakuum, bestämde forskarna energierna och riktningarna för den emitterade beta-partikeln och två alfapartiklar med hög precision. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att rekonstruera de fullständiga sönderfallsegenskaperna, inklusive bidraget från den osedda neutrinon.
Standardmodellen (SM) förutsäger fördelningen av emissionsvinklar för beta-partikeln och neutrinon, och varje observerad skillnad skulle avslöja nya aspekter av den svaga kärnkraften.
Teamet letade efter skillnader som var mindre än 1 %, vilket krävde en grundlig förståelse av apparaturen och detektionssystemet, tillsammans med en nyutvecklad förstaprincipsmetod som använder "Symmetri-anpassad No-Core Shell Model theory" för att redogöra för ett antal små effekter som uppstår från kärnans komplicerade miljö. Resultaten var den högsta precisionen i sitt slag och bekräftade SM-förutsägelsen med ökat självförtroende.
Mer information: A. T. Gallant et al, Angular Correlations in the β Decay of 8 B :Första tensor-strömgränser från ett spegel-kärnpar, Fysiska granskningsbrev (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.192502
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av US Department of Energy
