唯一的核物理实验达到质子,中子之间的更高精度弱力测量

N-氦3精度实验

在ORN1处进行的N-氦-3精密实验,通过检测中子和氦-3核的组合时产生的微小电信号测量质子和中子之间的弱力,然后在通过氦气靶细胞上移动时衰减。信用:Andy Sproles / Ornl,美国部门的能量

通过在能源橡树岭国家实验室的一类实验,核物理学家精确地测量了质子和中子之间的弱相互作用。结果量化了粒子物理标准模型预测的弱力理论。

球队的弱力观察,详细物理评论信,通过称为N3He的精密实验或N-氦-3的精确实验测量,在ornl的介质中子源或SNS上耗尽。他们的发现产生了任何相当弱力测量的最小不确定性原子迄今为止,建立了一个重要的基准。

标准模型描述了宇宙中的基本构建块和它们之间的基本力量。计算和测量质子与中子之间的弱力是一个极其艰巨的任务。

“Because the interactions we’re looking for are very weak, the effects that we want to detect in precision nuclear physics experiments are very small and, therefore, extremely difficult to observe,” said David Bowman, co-author and team leader for fundamental neutron physics at ORNL.

弱势力是自然界的四种基力之一,以及强大的核力,电磁和重力,并描述了夸克术语的子颗粒与构成质子和中子的相互作用。弱势力也负责原子的放射性衰变。弱力的某些机制是标准模型的最不理解的方面。

检测难以捉摸的弱相互作用需要高精度的实验,由大型国际团队带领,具有最先进的设备和具有非常高中的中源的冷中子源,例如SNS的基本中子物理学束线。SNS中产生的中子是精确实验的理想选择,解决弱力在中子和其他核之间的反应中发挥的作用。

这一领域领先的科学家鲍曼自20世纪60年代初以来一直在研究核物理学和解剖相互作用。

“在开始,从实证研究的角度收集了现象学核模型。但是,近年来,核环境中弱势互动的计算有重大进展,“他说。“新的核技术已经有不同程度的自由,现在计算得非常先进。”

科学家们的最新实验重点是氦-3,这是一种由两个质子和一个中子组成的光和稳定同位素,其自然界中的唯一元素比细胞核中的中子有更多的质子。“当一个中子和氦-3核结合时,反应产生激发,不稳定的氦-4同位素,腐蚀到一个质子和一个Triton(由两个中子和一个质子组成),两者都产生了微小但可检测的电气当他们在目标细胞中移动氦气时的信号,“曼尼托巴大学的女性医学迈克尔·格里克,迈克尔·格里克·格里克(Michael Gericke)说。

N-Helium-3实验使用了与其前身的相同中子束线,偏振器和诊断,其使用液体氢靶从中子 - 质子相互作用产生伽马射线。该团队发现,更多的伽马射线比上子旋转方向更加粗糙,这导致了成功测量弱力的镜子不对称部件。

与NPDγ类似,N-Helium-3实验是十年的研究,制备和分析的高潮。实验配置创造了一个极低的背景环境,在进入氦-3的容器之前可以控制中子。Gericke带领组内置的组合氦3目标和探测器系统,旨在拾取非常小的信号并导致随后的分析。

在实验中,SNS的慢速移动或冷的中子束进入氦-3的目标。设计了一种仪器以控制氦-3原子的核自旋方向。当中子与磁场相互作用时,另一个装置向上或向下将其旋转方向翻转,定义自旋状态。当中子达到靶标时,它们与氦3原子内的质子相互作用,发送通过敏感电子器件测量的电流信号。

“我们不得不开发一个独特的目标气体细胞,同时用作位置敏感的探测器,以测量反应的亚基产品,”Gericke说。

“为了适应这种实验的不同运行条件,我们发明了一种新颖的装置,需要在与氦-3目标反应之前扭转中子的旋转方向,”大学的Christopher Crawford Christopher Crawford表示肯塔基州。“这种通用的自旋鳍状物能够以高效率在大中子速度范围内操作。”

弱势实验必须与强大的主导性质和可能扭曲数据的背景噪声争辩。“N-Helium-3实验必须对非常小的效果敏感 - 比背景小1亿倍,”克劳福德说。“那就是寻找一个1英寸的谷仓里的1英寸针。”

大约一年,团队收集并分析了数据以确定截然违规的强度,这是中子与质子之间弱力的特定财产。这种现象对弱力是独一无二的,并且在强力,电磁或重力中未观察到。

N-氦-3通过测量中子偏振的反应产物的结合来利用通过阱控制的中子偏振获得的实验配置的对称性。“这有一定的母亲,”克劳福德说。“由于右边和左手在镜子中看起来相反,这种观察对其他三个力的影响完全不敏感。”

N-Helium-3的结果以及NPDGAMMA改变了核物理学家了解弱力在原子核中的作用的方式。这两者都通过能够通过做出准确的计算来回答标准模型中的出色问题。

“现在在此之后会发生什么,我们需要更多的测量 - 就像我们在SNS的这些非常精确的测量一样,”鲍曼说。“该领域的进步需要实验主义者和理论家之间进行对话。由于我们的实验结果是可用的,它们基准测试,并允许理论家改进预测新观察到的模型,然后可以通过实验可达。“

纸张的标题是“第一次截至3HE捕获中截图不对称的奇偶阶段的第一精确测量。”

总共有64人代表全球28个机构贡献了N-Helium-3和NPDGamma研究计划,它产生了超过15博士学位。论文。

参考:“冷中子捕获中截止不对称的奇偶阶段的第一精度测量3.他“由M. T. Gericke等。(N3.他合作),9月23日2020年,物理审查信。
DOI:10.1103 / physrevlett.125.131803

该研究得到了Doe办公室科学办公室办公室办公室的支持,并在Ornl的Spaltation中子来源的使用资源,是一家科学用户设施。美国国家科学基金会,加拿大自然科学基金会,加拿大自然科学和工程研究委员会提供了额外的支持,加拿大创新基金会和墨西哥全国科学技术委员会,或锥形。

UT-Battelle管理Ornl为能源科学系,是美国物理科学基础研究的单一最大支持者。科学办公室正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。

1条评论在“唯一的核物理实验中实现了质子,中子的质子之间的更高精度弱力测量”

  1. 很有意思。

    只是一个考虑的思考。我们可以做些什么来弱势弱势以受控的方式更强的力量,使得质子与中子之间的融合可以发生在受控的manne中?这可能有助于我们由于这种受控融合而创建无限功率?

    我怀疑当前融合反应是MOT精确或完全控制的。也许奉献者需要成为这项努力的一部分?如果我们可以ahieve这个较小的(甚至手持)融合反应堆)可以实现现实。

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