Les physiciens de l’expérience NPDGamma au Laboratoire national Oak Ridge (ORNL) du ministère de l’environnement ont mesuré l’interaction faible entre les protons et les neutrons dans le noyau de l’atome, prévue dans le modèle standard qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters (préimpression arXiv.org).
Blyth et al ont analysé les rayons gamma émis lors de l’expérience NPDGamma et ont constaté une asymétrie violant la parité, qui est un changement de comportement spécifique de la force entre un neutron et un proton. Ils ont mesuré une préférence de 30 parties par milliard pour que les rayons gamma soient émis de manière antiparallèle au spin du neutron lorsque les neutrons sont capturés par les protons dans l’hydrogène liquide. Après avoir observé que davantage de rayons gamma sont émis vers le bas que vers le haut, l’expérience a permis de résoudre pour la première fois une composante asymétrique en miroir ou un sens de la force faible. Crédit image : Andy Sproles / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy.
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 : la force forte, l’électromagnétisme, la force faible et la gravité.
La force faible existe dans la distance minuscule 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 NPDGamma était d’isoler et de mesurer une composante de cette interaction faible, qui se manifeste par des rayons gamma pouvant être comptés et vérifiés avec une grande précision statistique”, a déclaré le Dr David Bowman, chef d’équipe pour la physique des neutrons à l’ORNL.
L’expérience a canalisé des neutrons froids vers une cible d’hydrogène liquide.
L’appareil a été conçu pour contrôler la direction du spin des neutrons qui se déplacent lentement, les faisant passer de la position de spin-up à celle de spin-down à volonté.
Lorsque les neutrons manipulés s’écrasaient sur la cible, ils interagissaient avec les protons des atomes d’hydrogène liquide, émettant des rayons gamma qui étaient mesurés par des capteurs spéciaux.
Après avoir analysé les rayons gamma, le Dr Bowman et ses collègues ont trouvé une asymétrie violant la parité, qui est un changement de comportement spécifique dans la force entre un neutron et un proton.
“Si la parité était conservée, un noyau tournant à droite et un autre tournant à gauche – comme s’il s’agissait d’images miroir – produirait un nombre égal de gammas émettant vers le haut et vers le bas”, a déclaré le Dr Bowman.
“Mais, en fait, nous avons observé que plus de gammas descendent que montent, ce qui a conduit à isoler et à mesurer avec succès une composante miroir-asymétrique de la force faible.”
L’équipe a réalisé l’expérience de nombreuses fois pendant environ deux décennies, comptant et caractérisant les rayons gamma et recueillant des données sur ces événements en fonction de la direction du spin des neutrons et d’autres facteurs.
Les résultats ont apporté une information essentielle, mais il reste encore des théories à tester.
“Il existe une théorie pour 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. C’est toujours un problème non résolu”, a déclaré un membre de l’équipe, le professeur W. Michael Snow, de l’université de l’Indiana.
Il a comparé la mesure de la force faible par rapport à la force forte comme une sorte de traceur, similaire 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 à l’intérieur du noyau d’un atome”, a déclaré le professeur Snow.
