Используя имеющее в их распоряжении уникальное оборудование, ученые из Окриджской Национальной лаборатории измерили силы слабых взаимодействий между нейтронами и протонами с рекордным на сегодняшний день уровнем точности. И интересен тот факт, что значение измеренных сил в точности соответствует том, что определяется Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Отметим, что Стандартная модель описывает не только все существующие во Вселенной элементарные частицы, но и фундаментальные силы, посредством которых эти частицы взаимодействуют друг с другом. Силы слабых ядерных взаимодействий являются одним из четырех видов фундаментальных силнаряду с силами сильных ядерных взаимодействий, силами электромагнетизма и гравитации. Слабые ядерные силы несут ответственность за процессы радиоактивного распада ядер атомов нестабильных элементов. Существует и множество других аспектов, относящихся к силам слабых взаимодействий, одни из которых давно изучены и понятны людям, а другие пока представляют собой неизвестную величину.
Проведенный учеными эксперимент носит название n3He (n-helium-3), а выполнялся он при помощи установки-источника нейтронов SNS (Spallation Neutron Source). В эксперименте использовался гелий-3, стабильный изотоп гелия, состоящий из двух протонов и одного нейтрона. Отметим, что это изотоп уникален, он является единственным в природе, у которого в ядре имеется больше протонов, чем нейтронов.
Когда ядро гелия-3 сталкивается с нейтроном, выработанным источником SNS, получается возбужденный нестабильный изотоп гелия-4, который моментально распадается на один протон и тритон (ядро трития, изотопа водорода, состоящее из одного протона и двух нейтронов). Обе эти частицы, движущиеся через газообразный гелий в сторону мишени, являются источниками очень слабого сигнала, который, тем не менее, поддается детектированию высокочувствительным оборудованием. И на основе полученных данных ученые произвели расчеты сил слабых ядерных взаимодействий.
Отметим, что эксперимент n-helium-3 очень похож на предыдущий эксперимент этой серии NPDGamma, в котором использовалась мишень из жидкого водорода, а слабые взаимодействия между протонами и нейтронами приводил к возникновению слабых гамма-лучей.
В новом эксперименте точность измерения сил слабых взаимодействий была увеличена за счет реализации сразу нескольких идей. Первая идея заключалась в упорядочивании вращения ядер изотопов гелия-3, за что отвечала одна из частей установки. Еще одна часть установки при помощи магнитного поля выравнивала луч нейтронов так, что вращение этих частиц (спин) происходило только в одной плоскости, но в разных направлениях. Вращение ядер изотопа гелия-3 и нейтронов синхронизировалось таким образом, что их максимальное количество вступало в реакцию, производя сигналы, регистрируемые высокочувствительными датчиками.
Второй задачей, с которой успешно справились ученые, стала изоляция активного объема экспериментальной камеры от внешней среды, что позволило снизить до допустимого уровня внешние шумы и помехи. Датчики эксперимента n-helium-3 должны чувствовать сигналы, сила которых в 100 миллионов раз меньше силы фонового шума. "И без дополнительной защиты все это походило бы на поиски иголки в 10-метровом хранилище, под потолок забитым сеном" - пишут исследователи.
Данные эксперимента n-helium-3 собирались и анализировались непрерывно на протяжении года. Столь большой объем данных позволил выделить и измерить так называемую силу нарушения паритета, которая является одним из видов проявления сил слабых взаимодействий и не имеет отношения к силам сильных взаимодействий, электромагнетизму и гравитации.
И в заключение следует отметить, что данные, полученные в экспериментах n-helium-3 и NPDGamma, позволят физикам-ядерщикам уточнить роль, которую играют силы слабых взаимодействий во всем окружающем нас мире. "Прогресс в области ядерной физики требует постоянного диалога между экспериментаторами и теоретиками. Результаты экспериментов определяют эффективность имеющихся теорий, они позволяют ученым совершенствовать существующие и разрабатывать новые модели, в которых зачастую проявляются какие-то новые аспекты, требующие отдельного экспериментального подтверждения" - пишут исследователи.