La CREX Collaboration, un folto gruppo di ricercatori di diverse università del mondo coinvolti nel Calcium Radius Experiment (CREX), ha recentemente raccolto una misura precisa della simmetria dello specchio rotto nello scattering elastico di elettroni polarizzati longitudinalmente in ⁴⁸ Ca che è una firma della forza nucleare debole. La loro misurazione ha permesso loro di determinare la differenza nella distribuzione di neutroni e protoni all'interno del ⁴⁸ nucleo Ca. Il loro esperimento è stato eseguito presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), a Newport News, in Virginia.

"L'esperimento che abbiamo condotto è molto impegnativo, poiché l'interazione debole è un debole sussurro di un effetto nella dispersione degli elettroni dai nuclei, che è dominato dalla carica elettrica dell'elettrone e dei protoni nel nucleo", Kent Paschke, uno dei i ricercatori che hanno condotto lo studio, hanno detto a Phys.org. "Il fatto che l'interazione debole rompa la simmetria speculare e che l'interazione debole sia molto più forte con i neutroni che con i protoni, rende possibile questa misurazione."

L'idea di misurare la distribuzione dei neutroni nei nuclei utilizzando l'interazione debole nello scattering di elettroni esiste da decenni. Tuttavia, la necessità di raccogliere questa misurazione è diventata di recente più urgente, a causa dei miglioramenti nella comprensione scientifica delle strutture nucleari, mentre le tecniche sperimentali sono migliorate per aiutare a realizzare questa idea.

"Dato che lo scattering elettrone-nucleare è dominato dall'interazione elettromagnetica, anche per vedere l'effetto dell'interazione debole è necessario guardare qualcosa che solo l'interazione debole può fare", ha spiegato Paschke. "L'interazione debole, da sola tra le forze fondamentali conosciute, non rispetta la simmetria speculare, quindi possiamo vedere il suo effetto nella differenza nella velocità di dispersione tra le configurazioni che sono immagini speculari l'una dell'altra."

Il recente lavoro di Paschke e dei suoi colleghi si basa su nuove tecniche sperimentali per la raccolta di misurazioni ad alta precisione. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno raccolto in modo specifico le loro misurazioni utilizzando un fascio di elettroni polarizzati.

"Un elettrone, polarizzato lungo la sua direzione di movimento, scattering elastico ad un angolo specifico da un bersaglio nucleare non polarizzato, è un'esatta immagine speculare della stessa dispersione ma con lo spin dell'elettrone invertito, che punta in senso opposto alla sua direzione di movimento", Paschke disse. "L'effetto dell'interazione debole nel processo di scattering è stato misurato come il cambiamento nella velocità di scattering quando si capovolge la polarizzazione del raggio in modo che sia lungo o contro la direzione del raggio."

L'effetto sondato da Paschke e dai suoi colleghi è incredibilmente piccolo. Nei loro esperimenti, hanno misurato un tasso di dispersione elastica maggiore o minore di sole 2,7 parti per milione, o 0,00027%, a seconda dello spin dell'elettrone. Per misurare con precisione una differenza così piccola, i ricercatori hanno osservato più di 100 trilioni di eventi di dispersione elastica. Dovevano anche essere sicuri che nient'altro fosse cambiato mentre passavano da una configurazione all'altra.

"Questo fattore di forma può essere interpretato per fornire lo spessore della 'pelle' di carica debole attorno al nucleo, cioè l'eccesso del raggio medio della sfera di carica debole rispetto a quello della carica elettromagnetica", ha detto Paschke. "Poiché la carica debole è prevalentemente neutroni, questo può anche essere interpretato come la pelle di neutroni di Ca-48, cioè il raggio della distribuzione dei neutroni meno il raggio della distribuzione dei protoni."

La misurazione raccolta da Paschke e dai suoi colleghi mostra che la pelle di neutroni di Ca-48 è più piccola di quanto previsto dalla maggior parte dei modelli teorici. Ciò suggerisce che l'equazione di stato (cioè un'equazione che descrive il cambiamento nell'energia di legame rispetto alla densità), è più morbida del previsto, quindi il costo energetico di un nucleo ricco di neutroni che si trova a una densità più elevata è inferiore a quanto alcuni avessero pensato.

Analizzando le loro osservazioni, la collaborazione CREX ha riscontrato che erano allineate con alcuni calcoli teorici. Tuttavia, la loro scoperta pone nuovi vincoli sui modelli teorici esistenti, in particolare in termini di pelle di neutroni di Ca-48.

"I nostri risultati diventano ancora più interessanti quando confrontiamo questo risultato con il risultato che abbiamo rilasciato l'anno scorso, per una misurazione simile con il nucleo Pb-208 molto più pesante", ha detto Paschke. "Quel risultato implicava una pelle significativamente più spessa per Pb-208 di quanto ci si aspettasse. I modelli di struttura nucleare tendono a suggerire che questi risultati dovrebbero essere correlati:una pelle sottile in un sistema dovrebbe essere una pelle sottile nell'altro sistema. In questo modo, il il contrasto tra le due misurazioni è un po' sorprendente e rappresenta una sfida alla descrizione teorica dei nuclei."

La nuova misurazione raccolta dalla collaborazione CREX è estremamente semplice da interpretare, con correzioni teoriche minime e ampiamente consolidate. Ciò significa che il loro metodo di misurazione è un modo prezioso per sondare questo grado di libertà scarsamente vincolato nelle strutture nucleari.

"Le misurazioni che abbiamo raccolto sono molto difficili da ottenere, quindi alla fine la precisione delle misurazioni lascia uno spazio di manovra significativo per i modelli", ha affermato Paschke. "Esistono diversi modelli moderni che sono coerenti con tutto ciò che sappiamo sui nuclei, pur essendo solo leggermente in tensione con i nostri risultati. Cioè, alcuni modelli non sono d'accordo con il valore centrale delle nostre misurazioni, ma solo di una quantità che può essere ragionevolmente spiegato dalla precisione intrinseca dei nostri risultati sperimentali."

In sostanza, sebbene i risultati dei ricercatori non smentiscano la teoria nucleare esistente, pongono nuovi importanti vincoli su di essa. Inoltre, i metodi sperimentali che hanno sviluppato potrebbero essere utilizzati per studi futuri.

"I metodi che abbiamo utilizzato per controllare, caratterizzare e correggere le variazioni nella traiettoria del raggio si sono dimostrati più precisi e robusti nella misurazione Pb-208 rispetto a qualsiasi misurazione precedente", ha affermato Paschke.

Per raccogliere le loro misurazioni su Ca-48, la collaborazione CREX ha utilizzato due tecniche complementari che hanno permesso loro di rilevare la polarizzazione del raggio con un livello di precisione senza precedenti. In futuro, queste tecniche potrebbero essere utilizzate per misurare l'interazione debole nello scattering di elettroni con elevati livelli di precisione.

"Migliorare significativamente la precisione con i nuclei di Pb-208 o Ca-48 sarebbe molto eccitante, ma sarebbe difficile migliorare queste misurazioni in questa struttura", ha affermato Paschke. "Abbiamo davvero spinto la tecnica in JLab il più lontano possibile. Ci sono alcuni piani per effettuare misurazioni con un apparato dedicato alla nuova struttura MESA in costruzione a Magonza, ed è molto importante esplorare questa opportunità."

Alcuni dei membri della collaborazione CREX stanno ora lavorando a nuovi esperimenti ad alta precisione presso JLab. I loro sforzi attuali si concentrano specificamente sulla ricerca di nuove interazioni fondamentali oltre il modello standard.

"L'esperimento MOLLER inizierà anche a raccogliere dati tra pochi anni, utilizzando tecniche perfezionate da queste misurazioni di Ca-48 e Pb-208, per ottenere una sensibilità senza precedenti alla nuova fisica nell'interazione tra due elettroni", ha aggiunto Paschke. + Esplora ulteriormente

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