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    Les scientifiques réalisent une mesure de force faible plus précise entre les protons, neutrons

    L'expérience de précision n-hélium-3, menée à l'ORNL, mesuré la force faible entre les protons et les neutrons en détectant le minuscule signal électrique produit lorsqu'un neutron et un noyau d'hélium-3 se combinent puis se désintègrent lorsqu'ils se déplacent à travers la cellule cible d'hélium gazeux. Crédits :Andy Sproles/ORNL, Département américain de l'énergie

    Grâce à une expérience unique en son genre au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, les physiciens nucléaires ont mesuré avec précision l'interaction faible entre les protons et les neutrons. Le résultat quantifie la théorie de la force faible telle que prédite par le modèle standard de physique des particules.

    La faible force d'observation de l'équipe, détaillé dans Lettres d'examen physique , a été mesurée par une expérience de précision appelée n3He, ou n-hélium-3, qui a fonctionné à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, ou SNS. Leur découverte a donné la plus petite incertitude de toute mesure de force faible comparable dans le noyau d'un atome à ce jour, qui établit une référence importante.

    Le modèle standard décrit les éléments de base de la matière dans l'univers et les forces fondamentales agissant entre eux. Calculer et mesurer la force faible entre les protons et les neutrons est une tâche extrêmement difficile.

    « Parce que les interactions que nous recherchons sont très faibles, les effets que nous voulons détecter dans les expériences de physique nucléaire de précision sont très faibles et, donc, extrêmement difficile à observer, " a déclaré David Bowman, co-auteur et chef d'équipe pour la physique fondamentale des neutrons à l'ORNL.

    La force faible est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la force nucléaire forte, électromagnétisme et gravité, et décrit les interactions entre les particules subatomiques appelées quarks qui composent les protons et les neutrons. La force faible est également responsable de la désintégration radioactive d'un atome. Certains mécanismes de la force faible sont parmi les aspects les moins compris du modèle standard.

    La détection des interactions faibles insaisissables nécessite des expériences de haute précision, animés par de grandes équipes internationales disposant d'un appareillage de pointe et d'une source de neutrons froids de classe mondiale à très haut flux neutronique, comme la ligne de faisceau de physique des neutrons fondamentale au SNS. Les neutrons produits au SNS sont idéaux pour les expériences de précision qui traitent du rôle que joue la force faible dans la réaction entre les neutrons et d'autres noyaux.

    Archer, un scientifique de premier plan dans ce domaine, étudie la physique nucléaire et les interactions subatomiques depuis le début des années 1960.

    "Au début, il y avait des modèles nucléaires phénoménologiques glanés du point de vue de la recherche empirique. Mais, dans les années récentes, il y a eu des avancées majeures dans les calculs d'interactions de forces faibles dans l'environnement nucléaire, " a-t-il dit. " De nouvelles techniques nucléaires sont devenues disponibles avec différents degrés de liberté, et les calculs sont maintenant à un niveau très avancé."

    La dernière expérience des scientifiques portait sur l'hélium-3, qui est un isotope léger et stable composé de deux protons et d'un neutron, le seul élément dans la nature qui a plus de protons que de neutrons dans le noyau. "Quand un neutron et un noyau d'hélium-3 se combinent, la réaction produit un excité, isotope instable de l'hélium-4, se désintégrant en un proton et un triton (constitué de deux neutrons et d'un proton), qui produisent tous deux un signal électrique minuscule mais détectable lorsqu'ils se déplacent à travers l'hélium gazeux dans la cellule cible, " a déclaré Michael Gericke, auteur correspondant et professeur de physique subatomique à l'Université du Manitoba.

    L'expérience n-hélium-3 a utilisé la même ligne de faisceaux de neutrons, polariseur et diagnostic comme son prédécesseur, NPDGamma, qui utilisait une cible d'hydrogène liquide qui produisait des rayons gamma à partir d'interactions neutron-proton. L'équipe a découvert qu'il y avait plus de rayons gamma vers le bas que vers le haut par rapport à la direction du spin des neutrons, ce qui a conduit à la mesure réussie d'une composante miroir asymétrique de la force faible.

    Semblable à NPDGamma, l'expérience n-hélium-3 est l'aboutissement d'une décennie de recherche, préparation et analyse. La configuration de l'expérience a créé un environnement de fond extrêmement faible où les neutrons peuvent être contrôlés avant d'entrer dans un conteneur d'hélium-3 gazeux. Gericke a dirigé le groupe qui a construit le système combiné de cible et de détecteur à l'hélium-3 conçu pour capter les très petits signaux et a dirigé l'analyse ultérieure.

    Dans l'expérience, un faisceau de mouvement lent, ou froid, les neutrons du SNS sont entrés dans la cible d'hélium-3. Un instrument a été conçu pour contrôler la direction du spin nucléaire des atomes d'hélium-3. Lorsque les neutrons interagissent avec le champ magnétique, un autre appareil a inversé sa direction de rotation vers le haut ou vers le bas, définir l'état de spin. Lorsque les neutrons ont atteint la cible, ils ont interagi avec les protons dans les atomes d'hélium-3, envoyer les signaux de courant qui ont été mesurés par l'électronique sensible.

    "Nous avons dû développer une cellule de gaz cible unique qui servait simultanément de détecteur sensible à la position pour mesurer les produits subatomiques de la réaction, " a déclaré Gericke.

    "Afin de s'adapter aux différentes conditions de fonctionnement de cette expérience, nous avons inventé un nouvel appareil nécessaire pour inverser la direction de spin des neutrons juste avant qu'ils ne réagissent avec la cible d'hélium-3, ", a déclaré le co-auteur et professeur de physique nucléaire Christopher Crawford de l'Université du Kentucky. "Ce flipper de spin universel était capable de fonctionner dans la grande plage de vitesse des neutrons avec un rendement élevé."

    Les expériences de force faible doivent faire face à la nature dominante de la force forte et du bruit de fond qui pourraient fausser les données. "L'expérience n-hélium-3 devait être sensible à de très petits effets - 100 millions de fois plus petits que le bruit de fond, " Crawford a dit. " C'est comme chercher une aiguille de 1 pouce dans une grange de 40 pieds de haut pleine de foin. "

    Depuis environ un an, l'équipe a collecté et analysé les données pour déterminer la force de la violation de la parité, qui est une propriété spécifique de la force faible entre un neutron et un proton. Ce phénomène est unique à la force faible et n'est pas observé dans la force forte, électromagnétisme ou gravité.

    Le N-hélium-3 a exploité la symétrie de la configuration expérimentale obtenue par la polarisation bien contrôlée des neutrons, en mesurant une combinaison du spin des neutrons et de la quantité de mouvement sortant des produits de réaction pour les deux polarisations des neutrons. "Cela a une certaine audace, " Dit Crawford. " Puisque les mains droite et gauche regardent en face dans le miroir, cette observation était complètement insensible aux effets des trois autres forces."

    Les résultats du n-hélium-3, avec NPDGamma, ont changé la façon dont les physiciens nucléaires comprennent le rôle de la force faible dans les noyaux atomiques. Les deux aident à répondre aux questions en suspens dans le modèle standard grâce à la possibilité d'effectuer des calculs précis.

    "Maintenant que va-t-il se passer après ça, nous avons besoin de plus de mesures, comme ces mesures très précises que nous obtenons chez SNS, " Bowman a déclaré. "Les progrès dans ce domaine nécessitent un dialogue entre les expérimentateurs et les théoriciens. À mesure que les résultats d'expériences comme la nôtre deviennent disponibles, ils comparent les théories, et cela permet aux théoriciens d'améliorer les modèles qui prédisent de nouvelles observables qui pourraient alors être expérimentalement atteignables."


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