Une équipe de scientifiques a pour la première fois mesuré l'interaction faible insaisissable entre les protons et les neutrons dans le noyau d'un atome. Ils avaient choisi le noyau le plus simple composé d'un neutron et d'un proton pour l'étude.

Grâce à une expérience neutronique unique au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, les physiciens expérimentateurs ont résolu la force faible entre les particules au cœur de l'atome, prédit dans le modèle standard qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions.

Leur résultat est sensible aux aspects subtils de la force forte entre les particules nucléaires, qui est encore mal compris.

L'observation de l'équipe, décrit dans Lettres d'examen physique , culmine des décennies de travail effectué avec un appareil connu sous le nom de NPDGamma. La première phase de l'expérience a eu lieu au Laboratoire national de Los Alamos. En s'appuyant sur les connaissances acquises au LANL, l'équipe a transféré le projet à l'ORNL pour tirer parti de l'intensité élevée du faisceau de neutrons produit à la source de neutrons de spallation du laboratoire.

Les protons et les neutrons sont constitués de particules plus petites appelées quarks qui sont liées entre elles par l'interaction forte, qui est l'une des quatre forces connues de la nature :force forte, électromagnétisme, faible force et gravité. La force faible existe dans la petite distance à l'intérieur et entre les protons et les neutrons; l'interaction forte confine les quarks dans les neutrons et les protons.

La force faible relie également le spin axial et la direction du mouvement des particules nucléaires, révélant des aspects subtils de la façon dont les quarks se déplacent à l'intérieur des protons et des neutrons.

"Le but de l'expérience était d'isoler et de mesurer une composante de cette interaction faible, qui se sont manifestés sous forme de rayons gamma pouvant être comptés et vérifiés avec une grande précision statistique, " a déclaré David Bowman, co-auteur et chef d'équipe pour la physique des neutrons à l'ORNL. "Vous devez détecter beaucoup de gammas pour voir ce petit effet."

L'expérience NPDGamma, le premier à être réalisé sur la ligne de faisceau de physique fondamentale des neutrons du SNS, canalisé les neutrons froids vers une cible d'hydrogène liquide. L'appareil a été conçu pour contrôler la direction de rotation des neutrons lents, les "retournant" de la position de rotation vers le haut à la position de rotation vers le bas comme vous le souhaitez. Lorsque les neutrons manipulés ont percuté la cible, ils interagissaient avec les protons contenus dans les atomes d'hydrogène liquide, envoyant des rayons gamma qui ont été mesurés par des capteurs spéciaux.

Après analyse des rayons gamma, les scientifiques ont découvert une asymétrie violant la parité, qui est un changement spécifique de comportement de la force entre un neutron et un proton. « Si la parité était conservée, un noyau tournant dans le sens droitier et un autre tournant dans le sens gauche - comme s'il s'agissait d'images en miroir - entraînerait un nombre égal de gammas émettant vers le haut et émettant vers le bas, " expliqua Bowman.

"Mais, En réalité, nous avons observé que plus de gammas descendent que montent, ce qui a permis d'isoler et de mesurer avec succès une composante miroir asymétrique de la force faible."

Les scientifiques ont mené l'expérience à plusieurs reprises pendant environ deux décennies, compter et caractériser les rayons gamma et collecter des données sur ces événements en fonction de la direction du spin des neutrons et d'autres facteurs.

La forte intensité du SNS, avec d'autres améliorations, a permis un taux de comptage près de 100 fois supérieur à celui de l'opération précédente au Los Alamos Neutron Science Center.

Les résultats de l'expérience NPDGamma ont rempli une information vitale, pourtant il y a encore des théories à tester.

"Il existe une théorie de la force faible entre les quarks à l'intérieur du proton et du neutron, mais la façon dont la force forte entre les quarks se traduit par la force entre le proton et le neutron n'est pas entièrement comprise, " a déclaré W. Michael Snow, co-auteur et professeur de physique nucléaire expérimentale à l'Université d'Indiana. "C'est toujours un problème non résolu."

Il a comparé la mesure de la force faible en relation avec la force forte comme une sorte de traceur, semblable à un traceur en biologie qui révèle un processus d'intérêt dans un système sans le perturber.

"L'interaction faible nous permet de révéler certaines caractéristiques uniques de la dynamique des quarks au sein du noyau d'un atome, " ajouta Neige.