Un equipo de científicos ha medido por primera vez la elusiva interacción débil entre protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Habían elegido el núcleo más simple que constaba de un neutrón y un protón para el estudio.

A través de un experimento de neutrones único en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, Los físicos experimentales resolvieron la fuerza débil entre las partículas en el núcleo del átomo, predice en el Modelo Estándar que describe las partículas elementales y sus interacciones.

Su resultado es sensible a los aspectos sutiles de la fuerza fuerte entre las partículas nucleares, que todavía se entiende poco.

La observación del equipo, descrito 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. Aprovechando los conocimientos adquiridos en LANL, el equipo trasladó el proyecto a ORNL para aprovechar la alta intensidad del haz de neutrones producida en la fuente de neutrones de espalación del laboratorio.

Los protones y 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 distancia dentro y entre protones y neutrones; la fuerte interacción 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 los quarks se mueven dentro de los protones y neutrones.

"El objetivo del experimento era aislar y medir un componente de esta interacción débil, que se manifestaban como rayos gamma que podían contarse y verificarse con alta precisión estadística, "dijo David Bowman, coautor y líder del equipo de física de neutrones en ORNL. "Hay que detectar muchos gammas para ver este pequeño efecto".

El experimento NPDGamma, el primero en llevarse a cabo en la Línea de Rayos de Física de Neutrones Fundamentales 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, "volteándolos" de la posición de giro hacia arriba a la posición de giro hacia abajo, según lo desee. Cuando los neutrones manipulados se estrellaron contra el objetivo, interactuaron con los protones dentro de los átomos del hidrógeno líquido, enviando rayos gamma que fueron medidos por sensores especiales.

Después de analizar los rayos gamma, los científicos encontraron asimetría que viola la paridad, que es un cambio específico en el comportamiento de la fuerza entre un neutrón y un protón. "Si se conservara la paridad, un núcleo girando hacia la derecha y otro girando hacia la izquierda, como si fueran imágenes reflejadas, daría como resultado un número igual de gammas emitiendo hacia arriba que emitiendo hacia abajo, "Explicó Bowman.

"Pero, De hecho, observamos que bajan más gammas que suben, que conducen a aislar y medir con éxito un componente asimétrico de espejo de la fuerza débil ".

Los científicos realizaron el experimento en numerosas ocasiones durante unas dos décadas. contar y caracterizar los rayos gamma y recopilar datos de estos eventos en función de la dirección del giro de los neutrones y otros factores.

La alta intensidad del SNS, junto con otras mejoras, permitió una tasa de recuento 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 pieza de información vital, sin embargo, todavía quedan teorías por probar.

"Existe una teoría para 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. Michael Snow, coautor y profesor de física nuclear experimental en la Universidad de Indiana. "Ese es todavía un problema sin resolver".

Comparó la medida de la fuerza débil en relación con la fuerza fuerte como una especie de trazador, similar a un rastreador 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.