La Colaboración CREX, un gran grupo de investigadores de diferentes universidades de todo el mundo que participan en el Calcium Radius Experiment (CREX), compiló recientemente una medición precisa de la simetría especular rota en la dispersión elástica de electrones polarizados longitudinalmente en ⁴⁸Ca es la firma de la fuerza nuclear débil. Su medición les permitió determinar la diferencia en la distribución de neuronas y protones dentro ⁴⁸Núcleo Ca. Su experimento se llevó a cabo en el Acelerador Nacional Thomas Jefferson (JLab), en Newport News, Virginia.

“Nuestro experimento es muy desafiante, ya que la interacción débil es un leve susurro de un efecto en la dispersión de electrones de los núcleos, que está dominado por la carga eléctrica del electrón y los protones en el núcleo”, dijo Kent Paschke, uno de los dijeron a Phys.org los investigadores que realizaron el estudio. “El hecho de que la interacción débil rompa la simetría del espejo, y que la interacción débil sea mucho más fuerte con los neutrones que con los protones, hace que esta medida sea posible”.

La idea de medir la distribución de neutrones en los núcleos utilizando la interacción débil en la dispersión de electrones ha existido durante décadas. Sin embargo, la necesidad de recopilar esta medida se ha vuelto más apremiante recientemente, debido a las mejoras en la comprensión científica de las estructuras nucleares, mientras que las técnicas experimentales han mejorado para ayudar a realizar esta idea.

“Dado que la interacción electromagnética domina la dispersión de electrones y nuclear, para ver el efecto de la interacción débil, uno necesita ver algo que solo la interacción débil puede hacer”, explicó Paschke. “La interacción débil, única entre las fuerzas fundamentales conocidas, no respeta la simetría especular, por lo que podemos ver su efecto en la diferencia en la tasa de dispersión entre configuraciones que son imágenes especulares entre sí”.

El trabajo reciente de Paschke y sus colegas se basa en nuevas técnicas experimentales para recopilar mediciones de alta resolución. En sus experimentos, los investigadores recogieron sus medidas específicamente utilizando un haz de electrones polarizados.

“El electrón, polarizado a lo largo de la dirección de su movimiento, y la dispersión de ángulo elástico de un objetivo nuclear no polarizado, es una imagen especular de la misma dispersión pero con el giro del electrón invertido, apuntando en contra de la dirección de su movimiento”, dijo Paschke. “El efecto de la interacción débil en el proceso de dispersión se ha medido como el cambio en la tasa de dispersión cuando la polarización del haz se invierte para estar a lo largo o en dirección opuesta a la dirección del haz”.

El efecto logrado por Paschke y colegas es mínimo. En sus experimentos, midieron una tasa de dispersión elástica que era solo 2,7 partes por millón mayor o menor, o 0,00027 %, según el espín del electrón. Para medir con precisión esta pequeña diferencia, los investigadores observaron más de 100 billones de eventos de dispersión elástica. También tenían que asegurarse de que no se cambiara nada más mientras se movían entre configuraciones.

“Este factor de forma se puede explicar para proporcionar el grosor de la ‘capa’ de carga débil alrededor del núcleo, es decir, un aumento en el radio de la esfera de carga débil en comparación con la electromagnética”, dijo Bachke.Ca-48, es decir, el radio de la distribución de neutrones menos el radio de la distribución de protones”.

La medición recopilada por Bachke y sus colegas muestra que la piel de neutrones de Ca-48 es más pequeña de lo que predicen la mayoría de los modelos teóricos. Esto indica que la ecuación de estado (es decir, una ecuación que describe el cambio en la energía de enlace versus la densidad) es mucho más suave de lo esperado, por lo que el costo de energía de un núcleo rico en neutrones es menos denso de lo que algunos pensaban.

Al analizar sus observaciones, la Colaboración CREX descubrió que eran consistentes con algunos cálculos teóricos. Sin embargo, sus hallazgos imponen nuevas limitaciones a la lista. modelos teóricosespecialmente en términos de la epidermis de neutrones de Ca-48.

“Nuestros hallazgos se vuelven aún más interesantes cuando comparamos este resultado con el resultado Lanzamos el año pasadoPara una analogía similar con el núcleo mucho más pesado de Pb-208, dijo Paschke. Este resultado indica una piel mucho más gruesa para Pb-208 de lo esperado. Los modelos de estructura nuclear tienden a sugerir que estos hallazgos deben estar correlacionados: la piel delgada en un sistema debería ser la piel delgada en el otro. De esta manera, la discrepancia entre las dos medidas es algo sorprendente y plantea un desafío a la descripción teórica del núcleo”.

La nueva medida recogida por la Colaboración CREX es muy fácil de interpretar, con mínimas correcciones teóricas ampliamente establecidas. Esto significa que Método de medición Es un método valioso para verificar el grado de libertad pobremente restringido en estructuras nucleares.

“Las medidas que recopilamos son muy difíciles de lograr, por lo que la precisión de las medidas al final deja mucho margen de maniobra para los modelos”, dijo Paschke. “Hay muchos modelos recientes que concuerdan con todo lo demás que sabemos sobre los núcleos, mientras que solo están en ligera tensión con nuestros resultados. Es decir, algunos modelos no concuerdan con el valor central de nuestras mediciones, pero solo en una cantidad que podría ser plausible por la precisión intrínseca de nuestros resultados. Experimental “.

Esencialmente, aunque los hallazgos de los investigadores no refutan la teoría nuclear actual, sí le imponen nuevas limitaciones importantes. Además, los métodos experimentales que desarrollaron se pueden utilizar para estudios futuros.

“Los métodos que usamos para controlar, caracterizar y corregir las diferencias en la trayectoria del haz demostraron que son más precisos y robustos en la medición de Pb-208 que cualquier medición anterior”, dijo Paschke.

Para recopilar sus mediciones en Ca-48, CREX Collaboration utilizó dos métodos complementarios que les permitieron detectar la polarización del haz con un nivel de precisión sin precedentes. En el futuro, estas tecnologías se pueden utilizar para medir reacción débil en la dispersión de electrones a altos niveles de precisión.

“Sería muy emocionante mejorar significativamente la precisión con núcleos de Pb-208 o Ca-48, pero sería difícil mejorar estas mediciones en esta instalación”, dijo Paschke. “Hemos impulsado la tecnología en JLab lo más lejos posible. Hay algunos planes para tomar medidas con un dispositivo dedicado para la nueva instalación de MESA que se está construyendo en Mainz, y es muy importante explorar esta oportunidad”.

Algunos miembros de CREX Collaboration ahora están trabajando en nuevas experiencias de alta resolución en JLab. Sus esfuerzos actuales se centran específicamente en la búsqueda de nuevas interacciones fundamentales más allá del Modelo Estándar.

“El experimento MOLLER también comenzará a tomar datos en unos pocos años, utilizando técnicas mejoradas por las mediciones de Ca-48 y Pb-208, para lograr una sensibilidad sin precedentes a la nueva física de la interacción entre dos electrones”, agregó Paschke.

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