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

"El experimento que realizamos 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 los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijeron a Phys.org. "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 posible esta medición".

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 mejoraron para ayudar a hacer realidad esta idea.

"Dado que la dispersión electrón-nuclear está dominada por la interacción electromagnética, incluso 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 precisión. En sus experimentos, los investigadores recogieron específicamente sus medidas utilizando un haz de electrones polarizados.

"Un electrón, polarizado a lo largo de su dirección de movimiento, dispersión elástica en un ángulo específico desde un objetivo nuclear no polarizado, es una imagen especular exacta de la misma dispersión pero con el giro del electrón invertido, apuntando en dirección opuesta a su dirección de movimiento", Paschke dijo. "El efecto de la interacción débil en el proceso de dispersión se midió como el cambio en la tasa de dispersión al cambiar la polarización del haz para que sea a lo largo o en contra de la dirección del haz".

El efecto probado por Paschke y sus colegas es increíblemente pequeño. En sus experimentos, midieron una tasa de dispersión elástica que era mayor o menor en solo 2,7 partes por millón, o 0,00027 %, dependiendo del giro del electrón. Para medir con precisión una diferencia tan pequeña, los investigadores observaron más de 100 billones de eventos de dispersión elástica. También tenían que asegurarse de que nada más hubiera cambiado mientras cambiaban de configuración.

"Este factor de forma se puede interpretar para proporcionar el grosor de la 'piel' de carga débil alrededor del núcleo, es decir, el exceso del radio promedio de la esfera de carga débil en comparación con el de la carga electromagnética", dijo Paschke. "Dado que la carga débil es predominantemente neutrones, esto también puede interpretarse como la piel de neutrones de Ca-48, es decir, el radio de distribución de neutrones menos el radio de distribución de protones".

La medida recopilada por Paschke y sus colegas muestra que la capa de neutrones de Ca-48 es más pequeña de lo que habían predicho la mayoría de los modelos teóricos. Esto sugiere que la ecuación de estado (es decir, una ecuación que describe el cambio en la energía de enlace frente a la densidad) es más suave de lo esperado, por lo que el costo de energía de un núcleo rico en neutrones que tiene una densidad más alta es menor de lo que algunos habían pensado.

Al analizar sus observaciones, la Colaboración CREX descubrió que estaban alineados con algunos cálculos teóricos. No obstante, su hallazgo impone nuevas restricciones a los modelos teóricos existentes, particularmente en términos de la piel de neutrones de Ca-48.

"Nuestros hallazgos se vuelven aún más interesantes cuando comparamos este resultado con el resultado que publicamos el año pasado, para una medición similar con el núcleo mucho más pesado de Pb-208", dijo Paschke. "Ese resultado implicó una piel significativamente más gruesa para el Pb-208 de lo que se esperaba. Los modelos de estructura nuclear tienden a sugerir que estos resultados deberían estar correlacionados:una piel delgada en un sistema debería ser una piel delgada en el otro sistema. De esta manera, la el contraste entre las dos medidas es un poco sorprendente y supone un desafío para la descripción teórica de los núcleos".

La nueva medición recopilada por la Colaboración CREX es extremadamente sencilla de interpretar, con correcciones teóricas mínimas y ampliamente establecidas. Esto significa que su método de medición es una forma valiosa de probar este grado de libertad poco restringido en las estructuras nucleares.

"Las medidas que recolectamos son muy difíciles de lograr, por lo que al final la precisión de las medidas deja un margen de maniobra significativo para los modelos", dijo Paschke. "Hay varios modelos modernos que son consistentes con todo lo demás que sabemos sobre los núcleos, mientras que solo están en ligera tensión con nuestros resultados. Es decir, algunos modelos no están de acuerdo con el valor central de nuestras mediciones, pero solo en una cantidad que puede ser razonablemente explicado por la precisión intrínseca de nuestros resultados experimentales".

Esencialmente, si bien los resultados de los investigadores no refutan la teoría nuclear existente, le imponen nuevas restricciones importantes. Además, los métodos experimentales que desarrollaron podrían usarse para estudios futuros.

"Los métodos que usamos para controlar, caracterizar y corregir las variaciones en la trayectoria del haz demostraron ser más precisos y sólidos en la medición de Pb-208 que en cualquier otra medición anterior", dijo Paschke.

Para recopilar sus medidas en Ca-48, la Colaboración CREX utilizó dos técnicas complementarias que les permitieron detectar la polarización del haz con un nivel de precisión sin precedentes. En el futuro, estas técnicas podrían usarse para medir la interacción débil en la dispersión de electrones con altos niveles de precisión.

"Sería muy emocionante mejorar significativamente la precisión con los núcleos de Pb-208 o Ca-48, pero sería difícil mejorar estas mediciones en esta instalación", dijo Paschke. "Realmente hemos impulsado la técnica en JLab lo más lejos posible. Hay algunos planes para realizar mediciones con un aparato dedicado en la nueva instalación de MESA que se está construyendo en Mainz, y es muy importante explorar esa oportunidad".

Algunos de los miembros de CREX Collaboration ahora están trabajando en nuevos experimentos de alta precisión 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 refinadas por estas mediciones de Ca-48 y Pb-208, para lograr una sensibilidad sin precedentes a la nueva física en la interacción entre dos electrones", agregó Paschke. + Explora más

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