Un team di scienziati ha misurato per la prima volta l'inafferrabile interazione debole tra protoni e neutroni nel nucleo di un atomo. Avevano scelto il nucleo più semplice costituito da un neutrone e un protone per lo studio.

Attraverso un esperimento sui neutroni unico presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, i fisici sperimentali hanno risolto la forza debole tra le particelle al centro dell'atomo, previsto nel Modello Standard che descrive le particelle elementari e le loro interazioni.

Il loro risultato è sensibile agli aspetti sottili della forza forte tra le particelle nucleari, che è ancora poco compreso.

L'osservazione della squadra, descritto in Lettere di revisione fisica , culmina decenni di lavoro svolto con un apparato noto come NPDGamma. La prima fase dell'esperimento ha avuto luogo presso il Los Alamos National Laboratory. Basandosi sulle conoscenze acquisite presso LANL, il team ha spostato il progetto all'ORNL per sfruttare l'elevata intensità del fascio di neutroni prodotta dalla Spallation Neutron Source del laboratorio.

Protoni e neutroni sono costituiti da particelle più piccole chiamate quark che sono legate insieme dall'interazione forte, che è una delle quattro forze conosciute della natura:forza forte, elettromagnetismo, forza debole e gravità. La forza debole esiste nella minuscola distanza all'interno e tra protoni e neutroni; l'interazione forte confina i quark in neutroni e protoni.

La forza debole collega anche lo spin assiale e la direzione del moto delle particelle nucleari, rivelando aspetti sottili di come i quark si muovono all'interno di protoni e neutroni.

"L'obiettivo dell'esperimento era isolare e misurare un componente di questa debole interazione, che si manifestavano come raggi gamma che potevano essere contati e verificati con elevata accuratezza statistica, " ha detto David Bowman, co-autore e leader del team per la fisica dei neutroni presso l'ORNL. "Devi rilevare molti gamma per vedere questo piccolo effetto".

L'esperimento NPDGamma, il primo ad essere effettuato presso la Fundamental Neutron Physics Beamline presso SNS, neutroni freddi incanalati verso un bersaglio di idrogeno liquido. L'apparato è stato progettato per controllare la direzione di rotazione dei neutroni lenti, "girandoli" da posizioni di spin-up a posizioni di spin-down come desiderato. Quando i neutroni manipolati si schiantarono contro il bersaglio, hanno interagito con i protoni all'interno degli atomi di idrogeno liquido, emettendo raggi gamma che sono stati misurati da speciali sensori.

Dopo aver analizzato i raggi gamma, gli scienziati hanno scoperto un'asimmetria che viola la parità, che è un cambiamento specifico nel comportamento della forza tra un neutrone e un protone. "Se la parità fosse conservata, un nucleo che ruota nel modo destro e uno che ruota nel modo sinistro, come se fossero immagini speculari, risulterebbe in un numero uguale di gamma che emettono verso l'alto come emettono verso il basso, "Spiega Bowman.

"Ma, infatti, abbiamo osservato che più gamma scendono che salire, che portano a isolare e misurare con successo una componente asimmetrica speculare della forza debole."

Gli scienziati hanno eseguito l'esperimento numerose volte per circa due decenni, contare e caratterizzare i raggi gamma e raccogliere dati da questi eventi in base alla direzione dello spin dei neutroni e ad altri fattori.

L'elevata intensità del SNS, insieme ad altri miglioramenti, consentito un tasso di conteggio che è quasi 100 volte superiore rispetto all'operazione precedente al Los Alamos Neutron Science Center.

I risultati dell'esperimento NPDGamma hanno riempito un'informazione vitale, eppure ci sono ancora teorie da testare.

"C'è una teoria per la forza debole tra i quark all'interno del protone e del neutrone, ma il modo in cui la forza forte tra i quark si traduce nella forza tra il protone e il neutrone non è completamente compreso, " ha detto W. Michael Snow, co-autore e professore di fisica nucleare sperimentale all'Università dell'Indiana. "Questo è ancora un problema irrisolto."

Ha confrontato la misurazione della forza debole in relazione alla forza forte come una sorta di tracciante, simile a un tracciante in biologia che rivela un processo di interesse in un sistema senza disturbarlo.

"L'interazione debole ci permette di rivelare alcune caratteristiche uniche della dinamica dei quark all'interno del nucleo di un atomo, " Ha aggiunto la neve.