A través de un experimento único en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, los físicos nucleares han medido con precisión la interacción débil entre protones y neutrones. El resultado cuantifica la teoría de la fuerza débil como predice el Modelo Estándar de Física de Partículas
La observación de fuerza débil del equipo, detallada en Physical Review Letters, se midió a través de un experimento de precisión llamado n3He, o n-helio-3, que se ejecutó en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, o SNS. Su hallazgo arrojó la menor incertidumbre de cualquier medición de fuerza débil en el núcleo de un átomo hasta la fecha, lo que establece un punto de referencia importante.
El modelo estándar describe los componentes básicos de la materia en el universo y las fuerzas fundamentales que actúan entre ellos. Calcular y medir la fuerza débil entre protones y neutrones es una tarea extremadamente difícil.
“Debido a que las interacciones que buscamos son muy débiles, los efectos que queremos detectar en experimentos de física nuclear de precisión son muy pequeños y, por lo tanto, extremadamente difíciles de observar”, dijo David Bowman, coautor y líder del equipo de fundamental física de neutrones en ORNL.
La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la fuerza nuclear fuerte, el electromagnetismo y la gravedad, y describe las interacciones entre partículas subatómicas llamadas quarks que forman protones y neutrones. La fuerza débil también es responsable de la desintegración radiactiva de un átomo. Ciertos mecanismos de la fuerza débil se encuentran entre los aspectos menos comprendidos del Modelo Estándar.
La detección de las elusivas interacciones débiles requiere experimentos de alta precisión, dirigidos por grandes equipos internacionales con un aparato de última generación y una fuente de neutrones fríos de clase mundial con un flujo de neutrones muy alto, como la Línea de Rayos de Física de Neutrones Fundamentales en SNS. Los neutrones producidos en SNS son ideales para experimentos de precisión que abordan el papel que juega la fuerza débil en la reacción entre neutrones y otros núcleos.
Bowman, un científico líder en este campo, ha estado estudiando la física nuclear y las interacciones subatómicas desde principios de la década de 1960.
“Al principio, existían modelos nucleares fenomenológicos obtenidos desde el punto de vista de la investigación empírica. Pero, en los últimos años, ha habido grandes avances en los cálculos de interacciones de fuerzas débiles en el entorno nuclear ”, dijo. "Se han hecho disponibles nuevas técnicas nucleares con diferentes grados de libertad, y los cálculos ahora se encuentran en un nivel muy avanzado".
El último experimento de los científicos se centró en el helio-3, que es un isótopo estable y ligero que consta de dos protones y un neutrón, el único elemento de la naturaleza que tiene más protones que neutrones en el núcleo. “Cuando un neutrón y un núcleo de helio-3 se combinan, la reacción produce un isótopo de helio-4 excitado e inestable, que se descompone en un protón y un tritón (que consta de dos neutrones y un protón), los cuales producen una pequeña pero detectable señal mientras se mueven a través del gas helio en la celda objetivo”, dijo Michael Gericke, autor correspondiente y profesor de física subatómica en la Universidad de Manitoba.
El experimento n-helio-3 utilizó la misma línea de luz de neutrones, polarizador y diagnóstico que su predecesor, NPDGamma, que usó un objetivo de hidrógeno líquido que producía rayos gamma a partir de interacciones neutrón-protón. El equipo descubrió que más rayos gamma bajan que suben con respecto a la dirección de giro de los neutrones, lo que llevó a la medición exitosa de un componente asimétrico de espejo de la fuerza débil.
Al igual que NPDGamma, el experimento n-helio-3 es la culminación de una década de investigación, preparación y análisis. La configuración del experimento creó un entorno de fondo extremadamente bajo donde los neutrones se pueden controlar antes de ingresar a un contenedor de gas de helio-3. Gericke dirigió el grupo que construyó el sistema de detección y objetivo combinado de helio-3 diseñado para captar las señales muy pequeñas y dirigió el análisis posterior.
En el experimento, un rayo de neutrones fríos o de movimiento lento en SNS ingresó al objetivo de helio-3. Se diseñó un instrumento para controlar la dirección de giro nuclear de los átomos de helio-3. Cuando los neutrones interactúan con el campo magnético, otro aparato cambia su dirección de giro hacia arriba o hacia abajo, definiendo el estado de giro. Cuando los neutrones alcanzaron el objetivo, interactuaron con los protones dentro de los átomos de helio-3, enviando las señales de corriente que fueron medidas por componentes electrónicos sensibles.
"Tuvimos que desarrollar una celda de gas objetivo única que sirviera simultáneamente como un detector sensible a la posición para medir los productos subatómicos de la reacción", dijo Gericke.
"Para adaptarse a las diferentes condiciones de ejecución de este experimento, inventamos un aparato novedoso necesario para invertir la dirección de giro de los neutrones justo antes de que reaccionen con el objetivo de helio-3", dijo el coautor y profesor de física nuclear Christopher Crawford de la Universidad de Kentucky. "Esta aleta giratoria universal fue capaz de operar en el amplio rango de velocidades de neutrones con alta eficiencia".
Los experimentos de fuerza débil tienen que lidiar con la naturaleza dominante de la fuerza fuerte y el ruido de fondo que podría distorsionar los datos. "El experimento de n-helio-3 tenía que ser sensible a efectos muy pequeños, 100 millones de veces más pequeños que el fondo", dijo Crawford. "Eso es similar a buscar una aguja de 1 pulgada en un granero de 40 pies de altura lleno de heno".
Durante aproximadamente un año, el equipo recopiló y analizó los datos para determinar la fuerza de violación de la paridad, que es una propiedad específica de la fuerza débil entre un neutrón y un protón. Este fenómeno es exclusivo de la fuerza débil y no se observa en la fuerza fuerte, electromagnetismo o gravedad.
N-helio-3 aprovechó la simetría de la configuración experimental obtenida por la polarización de neutrones bien controlada, midiendo una combinación del espín del neutrón y el momento de salida de los productos de reacción para ambas polarizaciones de neutrones. "Esto tiene cierta disposición", dijo Crawford. "Dado que las manos derecha e izquierda se ven opuestas en el espejo, esta observación fue completamente insensible a los efectos de las otras tres fuerzas".
Los resultados de n-helio-3, junto con NPDGamma, han cambiado la forma en que los físicos nucleares entienden el papel de la fuerza débil en los núcleos atómicos. Ambos ayudan a responder preguntas pendientes en el modelo estándar a través de la capacidad de realizar cálculos precisos.
"Ahora, qué va a pasar después de esto, necesitamos más mediciones, como estas mediciones muy precisas que obtenemos en SNS", dijo Bowman. “Los avances en este campo requieren un diálogo entre los experimentales y los teóricos. A medida que los resultados de experimentos como el nuestro están disponibles, comparan las teorías y eso permite a los teóricos mejorar los modelos que predicen nuevos observables que luego podrían ser alcanzables experimentalmente”.
En total, 64 personas que representan a 28 instituciones en todo el mundo contribuyeron al programa de investigación n-helio-3 y NPDGamma, y produjo más de 15 tesis de doctorados.
Fuente: Oak Ridge National Laboratory