Un equipo de científicos midió por primera vez la elusiva interacción débil entre protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Habían elegido el núcleo más simple que consiste en un neutrón y un protón para el estudio.
A través de un experimento de neutrones único en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, los físicos experimentales resolvieron la fuerza débil entre las partículas en el núcleo del átomo, predicha en el Modelo Estándar que describe las partículas elementales y sus interacciones.
Su resultado es sensible a los aspectos sutiles de la fuerte fuerza entre las partículas nucleares, que todavía se entiende poco.
La observación del equipo, descrita en Cartas de revisión física , culmina décadas de trabajo realizado con un aparato conocido como NPDGamma. La primera fase del experimento tuvo lugar en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Sobre la base del conocimiento adquirido en LANL, el equipo trasladó el proyecto a ORNL para aprovechar el altointensidad del haz de neutrones producida en la fuente de neutrones de espalación del laboratorio.
Los protones y los neutrones están hechos de partículas más pequeñas llamadas quarks que están unidas por la interacción fuerte, que es una de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza: fuerza fuerte, electromagnetismo, fuerza débil y gravedad. La fuerza débil existe en la pequeña distanciadentro y entre protones y neutrones; la interacción fuerte confina a los quarks en neutrones y protones.
La fuerza débil también conecta el giro axial y la dirección de movimiento de las partículas nucleares, revelando aspectos sutiles de cómo se mueven los quarks dentro de los protones y los neutrones.
"El objetivo del experimento era aislar y medir un componente de esta interacción débil, que se manifestaba como rayos gamma que podían contarse y verificarse con alta precisión estadística", dijo David Bowman, coautor y líder del equipo de física de neutronesen ORNL: "Tienes que detectar muchos gammas para ver este pequeño efecto".
El Experimento NPDGamma, el primero que se llevó a cabo en la Línea Fundamental de Física de Neutrones en SNS, canalizó neutrones fríos hacia un objetivo de hidrógeno líquido. El aparato fue diseñado para controlar la dirección de giro de los neutrones de movimiento lento, "volteando"desde posiciones de giro hacia arriba y hacia abajo, según lo deseado. Cuando los neutrones manipulados se estrellaron contra el objetivo, interactuaron con los protones dentro de los átomos de hidrógeno líquido, enviando rayos gamma que fueron medidos por sensores especiales.
Después de analizar los rayos gamma, los científicos encontraron una asimetría que viola la paridad, que es un cambio específico en el comportamiento de la fuerza entre un neutrón y un protón. "Si se conserva la paridad, un núcleo gira en el sentido derecho y uno gira enla manera zurda, como si fueran imágenes reflejadas, daría como resultado un número igual de gammas emitiendo hacia arriba como emitiendo hacia abajo ", explicó Bowman.
"Pero, de hecho, observamos que más gammas bajan que suben, lo que conduce a aislar y medir con éxito un componente asimétrico espejo de la fuerza débil".
Los científicos realizaron el experimento varias veces durante aproximadamente dos décadas, contando y caracterizando los rayos gamma y recolectando datos de estos eventos en función de la dirección del giro de neutrones y otros factores.
La alta intensidad del SNS, junto con otras mejoras, permitió una tasa de conteo que es casi 100 veces mayor en comparación con la operación anterior en el Centro de Ciencias de Neutrones de Los Alamos.
Los resultados del Experimento NPDGamma completaron una información vital, pero aún hay teorías para ser probadas.
"Existe una teoría sobre la fuerza débil entre los quarks dentro del protón y el neutrón, pero la forma en que la fuerza fuerte entre los quarks se traduce en la fuerza entre el protón y el neutrón no se comprende completamente", dijo W. MichaelSnow, coautor y profesor de física nuclear experimental en la Universidad de Indiana, "sigue siendo un problema sin resolver".
Comparó la medición de la fuerza débil en relación con la fuerza fuerte como una especie de marcador, similar a un marcador en biología que revela un proceso de interés en un sistema sin perturbarlo.
"La interacción débil nos permite revelar algunas características únicas de la dinámica de los quarks dentro del núcleo de un átomo", agregó Snow.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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