Bilim adamları, protonlar ve nötronlar arasında daha yüksek hassasiyetli zayıf kuvvet ölçümü elde ediyor
Nükleer fizikçiler, Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki türünün tek örneği bir deneyle, protonlar ve nötronlar arasındaki zayıf etkileşimi kesin olarak ölçtüler. Sonuç, Standart Parçacık Fiziği Modeli tarafından tahmin edildiği gibi zayıf kuvvet teorisini nicelleştirir.
Ekibin zayıf kuvvet gözlemi Fiziksel İnceleme Mektupları, ORNL Spallation Neutron Source veya SNS'de çalışan n3He veya n-helyum-3 adlı hassas bir deneyle ölçüldü. Bulguları, bugüne kadar bir atomun çekirdeğindeki karşılaştırılabilir herhangi bir zayıf kuvvet ölçümünün en küçük belirsizliğini ortaya çıkardı ve bu da önemli bir ölçüt oluşturdu.
Standart Model, evrendeki maddenin temel yapı taşlarını ve bunlar arasında hareket eden temel kuvvetleri tanımlar. Protonlar ve nötronlar arasındaki zayıf kuvveti hesaplamak ve ölçmek son derece zor bir iştir.
Temel eş yazar ve ekip lideri David Bowman, "Aradığımız etkileşimler çok zayıf olduğu için, hassas nükleer fizik deneylerinde tespit etmek istediğimiz etkiler çok küçüktür ve bu nedenle gözlemlemek son derece zordur" dedi. ORNL'de nötron fiziği.
Zayıf kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetizma ve yerçekimi ile birlikte doğadaki dört temel kuvvetten biridir ve proton ve nötronları oluşturan kuarklar adı verilen atom altı parçacıklar arasındaki etkileşimleri tanımlar. Zayıf kuvvet aynı zamanda bir atomun radyoaktif bozulmasından da sorumludur. Zayıf kuvvetin belirli mekanizmaları, Standart Modelin en az anlaşılan yönleri arasındadır.
Zor zayıf etkileşimlerin tespit edilmesi, SNS'deki Temel Nötron Fiziği Işın Hattı gibi son teknoloji ürünü bir cihaza ve çok yüksek nötron akısına sahip birinci sınıf bir soğuk nötron kaynağına sahip büyük uluslararası ekipler tarafından yönetilen yüksek hassasiyetli deneyler gerektirir. SNS'de üretilen nötronlar, zayıf kuvvetin nötronlar ve diğer çekirdekler arasındaki reaksiyonda oynadığı rolü ele alan hassas deneyler için idealdir.
Bu alanda önde gelen bir bilim insanı olan Bowman, 1960'ların başından beri nükleer fizik ve atom altı etkileşimler üzerinde çalışıyor.
"Başlangıçta, deneysel bir araştırma bakış açısıyla toplanan fenomenolojik nükleer modeller vardı. Ancak son yıllarda, nükleer ortamdaki zayıf kuvvet etkileşimlerinin hesaplanmasında büyük ilerlemeler kaydedildi" dedi. "Farklı serbestlik derecelerine sahip yeni nükleer teknikler kullanılabilir hale geldi ve şu anda hesaplamalar çok ileri bir seviyede."
Bilim adamlarının son deneyi, doğada çekirdekte nötrondan daha fazla proton barındıran tek element olan iki proton ve bir nötrondan oluşan hafif ve kararlı bir izotop olan helyum-3'e odaklandı. "Bir nötron ve bir helyum-3 çekirdeği birleştiğinde, reaksiyon uyarılmış, kararsız bir helyum-4 izotopu üretir ve bir proton ve bir tritona (iki nötron ve bir protondan oluşan) bozunur ve her ikisi de küçük ama tespit edilebilir bir elektrik üretir Manitoba Üniversitesi'nde ilgili yazar ve atom altı fizik profesörü Michael Gericke, "hedef hücrede helyum gazında hareket ederken sinyal verirler" dedi.
N-helyum-3 deneyi, nötron-proton etkileşimlerinden gama ışınları üreten bir sıvı hidrojen hedefi kullanan selefi NPDGamma ile aynı nötron ışın hattı, polarizör ve tanılamayı kullandı. Ekip, nötron dönüş yönüne göre daha fazla gama ışınının aşağıya indiğini buldu ve bu da zayıf kuvvetin ayna asimetrik bileşeninin başarılı bir şekilde ölçülmesine yol açtı.
NPDGamma'ya benzer şekilde, n-helyum-3 deneyi, on yıllık bir araştırma, hazırlık ve analizin sonucudur. Deneyin yapılandırması, nötronların bir helyum-3 gazı kabına girmeden önce kontrol edilebildiği son derece düşük bir arka plan ortamı yarattı. Gericke, çok küçük sinyalleri almak için tasarlanmış birleşik helyum-3 hedef ve dedektör sistemini inşa eden gruba liderlik etti ve sonraki analize öncülük etti.
Deneyde, SNS'deki yavaş hareket eden veya soğuk nötron demeti helyum-3 hedefine girdi. Bir alet, helyum-3 atomlarının nükleer dönüş yönünü kontrol etmek için tasarlandı. Nötronlar manyetik alanla etkileşime girdiğinde, başka bir aparat, dönüş yönünü yukarı veya aşağı çevirerek dönüş durumunu tanımladı. Nötronlar hedefe ulaştığında, helyum-3 atomları içindeki protonlarla etkileşime girerek, hassas elektronikler tarafından ölçülen mevcut sinyalleri gönderdiler.
Gericke, "Reaksiyonun atom altı ürünlerini ölçmek için aynı anda konuma duyarlı bir dedektör görevi gören benzersiz bir hedef gaz hücresi geliştirmemiz gerekiyordu" dedi.
Üniversiteden nükleer fizik profesörü Christopher Crawford, "Bu deneyin farklı çalışma koşullarını barındırmak için, nötronların dönüş yönünü helyum-3 hedefiyle reaksiyona girmeden hemen önce tersine çevirmek için gereken yeni bir cihaz icat ettik" dedi. Kentucky. "Bu evrensel döndürücü kanatçık, büyük nötron hızı aralığında yüksek verimlilikle çalışabildi."
Zayıf kuvvet deneyleri, veriyi bozabilecek güçlü kuvvet ve arka plan gürültüsünün baskın doğasıyla mücadele etmelidir. Crawford, "n-helyum-3 deneyi çok küçük etkilere duyarlı olmalıydı – arka plandan 100 milyon kat daha küçük," dedi. "Bu, otlarla dolu 40 fit yüksekliğindeki bir ahırda 1 inçlik bir iğne aramaya benzer."
Ekip yaklaşık bir yıl boyunca, bir nötron ve bir proton arasındaki zayıf kuvvetin belirli bir özelliği olan eşlik ihlalinin gücünü belirlemek için verileri topladı ve analiz etti. Bu fenomen, zayıf kuvvete özgüdür ve güçlü kuvvet, elektromanyetizma veya yerçekiminde gözlenmez.
N-helyum-3, her iki nötron polarizasyonu için nötron dönüşü ve reaksiyon ürünlerinin giden momentumunun bir kombinasyonunu ölçerek iyi kontrol edilen nötron polarizasyonu ile elde edilen deneysel konfigürasyonun simetrisini kullandı. "Bunun belli bir eli var," dedi Crawford. "Sağ ve sol eller aynada ters baktığından, bu gözlem diğer üç kuvvetin etkilerine tamamen duyarsızdı."
NPDGamma ile birlikte n-helyum-3'ün sonuçları, nükleer fizikçilerin atom çekirdeklerindeki zayıf kuvvetin rolünü anlama şeklini değiştirdi. Her ikisi de, doğru hesaplamalar yapabilme yeteneği sayesinde Standart Modelde öne çıkan soruları yanıtlamaya yardımcı olur.
Bowman, "Şimdi bundan sonra ne olacak, SNS'de aldığımız bu çok hassas ölçümler gibi daha fazla ölçüme ihtiyacımız var," dedi. "Bu alandaki gelişmeler, deneyciler ve teorisyenler arasında bir diyalog gerektirir. Bizimki gibi deneylerin sonuçları elde edildikçe, teorileri kıyaslıyorlar ve bu da teorisyenlerin daha sonra deneysel olarak ulaşılabilir olabilecek yeni gözlemlenebilirleri tahmin eden modelleri geliştirmelerine izin veriyor."
İlk önce izole etmek, protonlar ve nötronlar arasındaki zayıf kuvveti ölçmek için hassas deney
M.T. Gericke ve diğerleri, He3'te Soğuk Nötron Yakalamasında Asimetriyi İhlal Eden Paritenin İlk Hassas Ölçümü, Fiziksel İnceleme Mektupları (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.131803
Alıntı:
Bilim adamları, protonlar ve nötronlar arasında daha yüksek hassasiyetli zayıf kuvvet ölçümü elde etti (2020, 24 Eylül)
24 Eylül 2020 alındı
https://phys.org/news/2020-09-scientists-higher-precision-weak-protons.html adresinden
Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, hayır
bölümü yazılı izin alınmadan çoğaltılabilir. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sağlanmıştır.