La collaboration CREX, un grand groupe de chercheurs de différentes universités du monde entier qui sont impliqués dans l'expérience du rayon de calcium (CREX), a récemment recueilli une mesure précise de la symétrie du miroir brisé dans la diffusion élastique des électrons polarisés longitudinalement dans ⁴⁸ Ca qui est une signature de la force faible nucléaire. Leur mesure leur a permis de déterminer la différence de répartition des neutrons et des protons au sein des ⁴⁸ Noyau Ca. Leur expérience a été réalisée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), à Newport News, en Virginie.

"L'expérience que nous avons menée est très difficile, car l'interaction faible est un léger murmure d'un effet dans la diffusion des électrons des noyaux, qui est dominé par la charge électrique de l'électron et des protons dans le noyau", a déclaré Kent Paschke, l'un des les chercheurs qui ont mené l'étude, ont déclaré à Phys.org. "Le fait que l'interaction faible brise la symétrie miroir, et que l'interaction faible est beaucoup plus forte avec les neutrons qu'avec les protons, rend cette mesure possible."

L'idée de mesurer la distribution des neutrons dans les noyaux en utilisant l'interaction faible dans la diffusion des électrons existe depuis des décennies. Cependant, la nécessité de collecter cette mesure est récemment devenue plus pressante, en raison de l'amélioration de la compréhension scientifique des structures nucléaires, tandis que les techniques expérimentales se sont améliorées pour aider à concrétiser cette idée.

"Étant donné que la diffusion électron-nucléaire est dominée par l'interaction électromagnétique, même pour voir l'effet de l'interaction faible, il faut regarder quelque chose que seule l'interaction faible peut faire", a expliqué Paschke. "L'interaction faible, seule parmi les forces fondamentales connues, ne respecte pas la symétrie miroir, nous pouvons donc voir son effet dans la différence de taux de diffusion entre les configurations qui sont des images miroir les unes des autres."

Les travaux récents de Paschke et ses collègues sont basés sur de nouvelles techniques expérimentales pour collecter des mesures de haute précision. Dans leurs expériences, les chercheurs ont spécifiquement collecté leurs mesures à l'aide d'un faisceau d'électrons polarisés.

"Un électron, polarisé le long de sa direction de mouvement, diffusion élastique à un angle spécifique à partir d'une cible nucléaire non polarisée, est une image miroir exacte de la même diffusion mais avec le spin de l'électron inversé, pointant à l'opposé de sa direction de mouvement", Paschke a dit. "L'effet de l'interaction faible dans le processus de diffusion a été mesuré comme le changement du taux de diffusion lors de l'inversion de la polarisation du faisceau pour être le long ou contre la direction du faisceau."

L'effet sondé par Paschke et ses collègues est incroyablement faible. Dans leurs expériences, ils ont mesuré un taux de diffusion élastique supérieur ou inférieur de seulement 2,7 parties par million, soit 0,00027 %, selon le spin de l'électron. Pour mesurer avec précision une si petite différence, les chercheurs ont observé plus de 100 billions d'événements de diffusion élastique. Ils devaient également s'assurer que rien d'autre n'avait changé pendant qu'ils passaient d'une configuration à l'autre.

"Ce facteur de forme peut être interprété pour fournir l'épaisseur de la" peau "de faible charge autour du noyau, c'est-à-dire l'excès du rayon moyen de la sphère de faible charge par rapport à celui de la charge électromagnétique", a déclaré Paschke. "Étant donné que la charge faible est principalement constituée de neutrons, cela peut également être interprété comme la peau neutronique du Ca-48, c'est-à-dire le rayon de la distribution des neutrons moins le rayon de la distribution des protons."

La mesure recueillie par Paschke et ses collègues montre que la peau neutronique du Ca-48 est plus petite que ce que la plupart des modèles théoriques avaient prédit. Cela suggère que l'équation d'état (c.

Lors de l'analyse de leurs observations, la collaboration CREX a constaté qu'elles étaient alignées sur certains calculs théoriques. Néanmoins, leur découverte impose de nouvelles contraintes aux modèles théoriques existants, notamment en termes de peau neutronique du Ca-48.

"Nos découvertes deviennent encore plus intéressantes lorsque nous comparons ce résultat au résultat que nous avons publié l'année dernière, pour une mesure similaire avec le noyau Pb-208 beaucoup plus lourd", a déclaré Paschke. "Ce résultat impliquait une peau beaucoup plus épaisse pour le Pb-208 que prévu. Les modèles de structure nucléaire tendent à suggérer que ces résultats devraient être corrélés - une peau mince dans un système devrait être une peau mince dans l'autre système. De cette façon, le le contraste entre les deux mesures est un peu surprenant et remet en question la description théorique des noyaux."

La nouvelle mesure recueillie par la collaboration CREX est extrêmement simple à interpréter, avec des corrections théoriques minimales et largement établies. Cela signifie que leur méthode de mesure est un moyen précieux de sonder ce degré de liberté mal contraint dans les structures nucléaires.

"Les mesures que nous avons collectées sont très difficiles à atteindre, donc au final, la précision des mesures laisse une marge de manœuvre importante pour les modèles", a déclaré Paschke. "Il existe plusieurs modèles modernes qui sont cohérents avec tout ce que nous savons sur les noyaux, tout en n'étant qu'en légère tension avec nos résultats. C'est-à-dire que certains modèles ne sont pas d'accord avec la valeur centrale de nos mesures, mais seulement d'une quantité qui peut être raisonnablement expliqué par la précision intrinsèque de nos résultats expérimentaux."

Essentiellement, bien que les résultats des chercheurs ne réfutent pas la théorie nucléaire existante, ils lui imposent de nouvelles contraintes importantes. De plus, les méthodes expérimentales qu'ils ont développées pourraient être utilisées pour de futures études.

"Les méthodes que nous avons utilisées pour contrôler, caractériser et corriger les variations de la trajectoire du faisceau se sont révélées plus précises et robustes dans la mesure du Pb-208 que dans toute mesure antérieure", a déclaré Paschke.

Pour collecter leurs mesures sur Ca-48, la collaboration CREX a utilisé deux techniques complémentaires qui leur ont permis de détecter la polarisation du faisceau avec un niveau de précision sans précédent. À l'avenir, ces techniques pourraient être utilisées pour mesurer l'interaction faible dans la diffusion d'électrons avec des niveaux de précision élevés.

"Améliorer considérablement la précision avec les noyaux Pb-208 ou Ca-48 serait très excitant, mais il serait difficile d'améliorer ces mesures dans cette installation", a déclaré Paschke. "Nous avons vraiment poussé la technique au JLab aussi loin que possible. Il existe des plans pour effectuer des mesures avec un appareil dédié dans la nouvelle installation MESA en cours de construction à Mayence, et il est très important d'explorer cette opportunité."

Certains des membres de la collaboration CREX travaillent actuellement sur de nouvelles expériences de haute précision au JLab. Leurs efforts actuels se concentrent spécifiquement sur la recherche de nouvelles interactions fondamentales au-delà du modèle standard.

"L'expérience MOLLER commencera également à prendre des données dans quelques années, en utilisant des techniques affinées par ces mesures de Ca-48 et Pb-208, pour atteindre une sensibilité sans précédent à la nouvelle physique dans l'interaction entre deux électrons", a ajouté Paschke. + Explorer plus loin

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