Attraverso un esperimento unico nel suo genere presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, i fisici nucleari hanno misurato con precisione l'interazione debole tra protoni e neutroni. Il risultato quantifica la teoria della forza debole come previsto dal Modello Standard della Fisica delle Particelle.

L'osservazione della forza debole della squadra, dettagliato in Lettere di revisione fisica , è stata misurata attraverso un esperimento di precisione chiamato n3He, o n-elio-3, che girava alla Spallation Neutron Source di ORNL, o SNS. La loro scoperta ha prodotto la più piccola incertezza di qualsiasi misura di forza debole comparabile nel nucleo di un atomo fino ad oggi, che costituisce un importante punto di riferimento.

Il Modello Standard descrive i mattoni fondamentali della materia nell'universo e le forze fondamentali che agiscono tra di loro. Calcolare e misurare la forza debole tra protoni e neutroni è un compito estremamente difficile.

"Poiché le interazioni che stiamo cercando sono molto deboli, gli effetti che vogliamo rilevare negli esperimenti di fisica nucleare di precisione sono molto piccoli e, perciò, estremamente difficile da osservare, " ha detto David Bowman, co-autore e leader del team per la fisica dei neutroni fondamentale presso l'ORNL.

La forza debole è una delle quattro forze fondamentali in natura, insieme alla forza nucleare forte, elettromagnetismo e gravità, e descrive le interazioni tra particelle subatomiche chiamate quark che compongono protoni e neutroni. La forza debole è anche responsabile del decadimento radioattivo di un atomo. Alcuni meccanismi della forza debole sono tra gli aspetti meno compresi del Modello Standard.

Rilevare le sfuggenti interazioni deboli richiede esperimenti di alta precisione, guidato da grandi squadre internazionali con un apparato all'avanguardia e una sorgente di neutroni freddi di livello mondiale con un flusso di neutroni molto elevato, come la Fundamental Neutron Physics Beamline presso SNS. I neutroni prodotti da SNS sono ideali per esperimenti di precisione che affrontano il ruolo che la forza debole gioca nella reazione tra neutroni e altri nuclei.

Arciere, uno scienziato leader in questo campo, studia la fisica nucleare e le interazioni subatomiche sin dai primi anni '60.

"All'inizio, c'erano modelli fenomenologici nucleari raccolti dal punto di vista della ricerca empirica. Ma, negli ultimi anni, ci sono stati importanti progressi nei calcoli delle interazioni di forze deboli nell'ambiente nucleare, " ha detto. "Nuove tecniche nucleari sono diventate disponibili con diversi gradi di libertà, e i calcoli ora sono a un livello molto avanzato."

L'ultimo esperimento degli scienziati si è concentrato sull'elio-3, che è un isotopo leggero e stabile composto da due protoni e un neutrone, l'unico elemento in natura che ha più protoni che neutroni nel nucleo. "Quando un neutrone e un nucleo di elio-3 si combinano, la reazione produce un eccitato, isotopo instabile dell'elio-4, decadendo in un protone e un tritone (costituito da due neutroni e un protone), entrambi producono un segnale elettrico minuscolo ma rilevabile mentre si muovono attraverso il gas elio nella cella bersaglio, " ha detto Michael Gericke, autore corrispondente e professore di fisica subatomica presso l'Università di Manitoba.

L'esperimento n-elio-3 ha utilizzato la stessa linea di luce di neutroni, polarizzatore e diagnostica come il suo predecessore, NPDGamma, che utilizzava un bersaglio di idrogeno liquido che produceva raggi gamma dalle interazioni neutrone-protone. Il team ha scoperto che più raggi gamma scendono rispetto alla direzione di spin dei neutroni, che ha portato alla misurazione di successo di una componente asimmetrica speculare della forza debole.

Simile a NPDGamma, l'esperimento n-elio-3 è il culmine di un decennio di ricerca, preparazione e analisi. La configurazione dell'esperimento ha creato un ambiente di fondo estremamente basso in cui i neutroni possono essere controllati prima di entrare in un contenitore di gas elio-3. Gericke ha guidato il gruppo che ha costruito il sistema combinato bersaglio e rivelatore di elio-3 progettato per raccogliere i segnali molto piccoli e ha condotto l'analisi successiva.

Nell'esperimento, un raggio di movimento lento, o freddo, i neutroni a SNS sono entrati nel bersaglio dell'elio-3. Uno strumento è stato progettato per controllare la direzione dello spin nucleare degli atomi di elio-3. Quando i neutroni interagiscono con il campo magnetico, un altro apparecchio ha invertito la direzione di rotazione verso l'alto o verso il basso, definizione dello stato di rotazione. Quando i neutroni hanno raggiunto il bersaglio, hanno interagito con i protoni all'interno degli atomi di elio-3, inviando i segnali di corrente che sono stati misurati dall'elettronica sensibile.

"Dovevamo sviluppare una cella a gas bersaglio unica che fungesse contemporaneamente da rilevatore sensibile alla posizione per misurare i prodotti subatomici della reazione, " disse Gerick.

"Al fine di adattarsi alle diverse condizioni di esecuzione di questo esperimento, abbiamo inventato un nuovo apparato necessario per invertire la direzione di rotazione dei neutroni appena prima che reagissero con il bersaglio dell'elio-3, " ha detto il co-autore e professore di fisica nucleare Christopher Crawford dell'Università del Kentucky. "Questo spin flipper universale è stato in grado di operare nell'ampio intervallo di velocità dei neutroni con un'elevata efficienza".

Gli esperimenti di forza debole devono fare i conti con la natura dominante della forza forte e del rumore di fondo che potrebbe distorcere i dati. "L'esperimento n-elio-3 doveva essere sensibile a effetti molto piccoli, 100 milioni di volte più piccoli dello sfondo, "Crawford ha detto. "Questo è come cercare un ago da 1 pollice in un fienile alto 40 piedi pieno di fieno".

Da circa un anno, il team ha raccolto e analizzato i dati per determinare la forza della violazione della parità, che è una proprietà specifica della forza debole tra un neutrone e un protone. Questo fenomeno è unico per la forza debole e non si osserva nella forza forte, elettromagnetismo o gravità.

N-elio-3 ha sfruttato la simmetria della configurazione sperimentale ottenuta dalla polarizzazione dei neutroni ben controllata, misurando una combinazione dello spin dei neutroni e della quantità di moto in uscita dei prodotti di reazione per entrambe le polarizzazioni dei neutroni. "Questo ha una certa manualità, "Crawford ha detto. "Dal momento che le mani destra e sinistra si guardano opposte nello specchio, questa osservazione era completamente insensibile agli effetti delle altre tre forze."

I risultati di n-elio-3, insieme a NPDGamma, hanno cambiato il modo in cui i fisici nucleari comprendono il ruolo della forza debole nei nuclei atomici. Entrambi aiutano a rispondere a domande in sospeso nel Modello Standard grazie alla capacità di eseguire calcoli accurati.

"Ora cosa succederà dopo questo, abbiamo bisogno di più misurazioni, come queste misurazioni molto precise che otteniamo a SNS, " ha detto Bowman. "I progressi in questo campo richiedono un dialogo tra sperimentali e teorici. Man mano che i risultati di esperimenti come il nostro diventano disponibili, confrontano le teorie, e ciò consente ai teorici di migliorare i modelli che predicono nuovi osservabili che poi potrebbero essere raggiungibili sperimentalmente".