Experiment vid CERN och Accelerator Laboratory i Jyväskylä, Finland, har visat att radien för en exotisk kärna av aluminium, ^26m Al, är mycket större än man tidigare trott. Resultatet beskrivs i en artikel som just publicerats i Physical Review Letters , kastar ljus över effekterna av den svaga kraften på kvarkar – de elementära partiklarna som utgör protoner, neutroner och andra sammansatta partiklar.

Bland de fyra kända grundkrafterna i naturen – den elektromagnetiska kraften, den starka kraften, den svaga kraften och gravitationen – kan den svaga kraften med en viss sannolikhet ändra "smaken" hos en kvark. Standardmodellen för partikelfysik, som beskriver alla partiklar och deras interaktioner med varandra, förutsäger inte värdet av denna sannolikhet, men förutsäger, för en given kvarksmak, summan av alla möjliga sannolikheter att vara exakt 1. Därför, sannolikhetssumman erbjuder ett sätt att testa standardmodellen och söka efter ny fysik:om sannolikhetssumman befinns vara annorlunda än 1, skulle det innebära ny fysik utöver standardmodellen.

Intressant nog är sannolikhetssumman som involverar uppkvarken för närvarande i skenbar spänning med den förväntade enheten, även om styrkan på spänningen beror på de underliggande teoretiska beräkningarna. Denna summa inkluderar de respektive sannolikheterna för nedkvarken, den märkliga kvarken och bottenkvarken som förvandlas till uppkvarken.

Den första av dessa sannolikheter visar sig i beta-sönderfallet av en atomkärna, där en neutron (gjord av en uppkvarkar och två nedkvarkar) ändras till en proton (som består av två uppkvarkar och en nedkvarkar) eller vice versa. Men på grund av den komplexa strukturen hos atomkärnorna som genomgår beta-sönderfall är en exakt bestämning av denna sannolikhet i allmänhet inte möjlig.

Forskare vänder sig således till en delmängd av beta-sönderfall som är mindre känsliga för effekterna av kärnstruktur för att bestämma sannolikheten. Bland de många kvantiteter som behövs för att karakterisera sådana "supertillåtna" beta-sönderfall är (laddnings)radien för den sönderfallande kärnan.

Det är här det nya resultatet för radien på ^26m Al-kärnan, som genomgår ett supertillåtet beta-sönderfall, kommer in. Resultatet erhölls genom att mäta responsen för ^26m Al kärna till laserljus i experiment utförda vid CERNs ISOLDE-anläggning och Acceleratorlaboratoriets IGISOL-anläggning. Den nya radien, ett viktat medelvärde av ISOLDE- och IGISOL-datauppsättningarna, är mycket större än förutspått, och resultatet är en försvagning av den nuvarande skenbara spänningen i sannolikhetssumman som involverar uppkvarken.

"Laddningsradier för andra kärnor som genomgår supertillåtna beta-sönderfall har tidigare uppmätts vid ISOLDE och andra anläggningar, och ansträngningar pågår för att bestämma radien på ⁵⁴ Co på IGISOL," förklarar ISOLDE-fysikern och huvudförfattaren till tidningen, Peter Plattner. "Men ^26m Al är ett ganska unikt fall eftersom, även om det är det mest exakt studerade av sådana kärnor, dess radie har förblivit okänd tills nu, och som det visar sig är den mycket större än vad som antas vid beräkningen av sannolikheten för dunkvarken förvandlas till uppkvarken."

"Sökningar efter ny fysik bortom standardmodellen, inklusive de som bygger på sannolikheten för att kvarkar ändrar smak, är ofta ett spel med hög precision", säger CERN-teoretikern Andreas Juttner. "Detta resultat understryker vikten av att granska alla relevanta experimentella och teoretiska resultat på alla möjliga sätt."

Tidigare och nuvarande partikelfysikexperiment över hela världen, inklusive LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider, har bidragit, och fortsätter att bidra, väsentligt till vår kunskap om effekterna av den svaga kraften på kvarkar genom bestämning av olika sannolikheter för en kvargsmak. förändra. Men kärnfysikexperiment på supertillåtna beta-sönderfall erbjuder för närvarande det bästa sättet att bestämma sannolikheten för att down-kvarken förvandlas till upp-kvarken, och detta kan mycket väl förbli fallet under överskådlig framtid.

Mer information: P. Plattner et al, Nuclear Charge Radius of Al26m and its implikation for Vud in the Quark Mixing Matrix, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.222502

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av CERN