Físicos Experimentais Mediram a Força Fraca entre Prótons e Neutrons dentro do Núcleo do Átomo

Por Fábio Matos

Físicos do  Experimento NPDGamma do DoE’s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Mediram a interação fraca entre prótons e neutrons no núcleo atômico, esta interação já estava prevista no Modelo Padrão o qual descreve as partículas elementares e suas interacoes. As descobertas foram publicadas no jornal Physical Review Letters (arXiv.org preprint).

Blyth et al analisou os raios gama emitidos durante o Experimento NPDGamma e encontraram assimetria de violação de paridade. Esta violação de paridade se dá devido a mudança de comportamento da força entre um neutron e um próton. 
Quando os neutrons foram capturados pelos prótons em um líquido de hidrogênio, eles mediram à uma taxa de 30 partes por bilhão os raios gamma emitidos preferencialmente na direção anteparalela em relação ao spin dos neutrons. 
Após observar que mais feixes de raios gamma vão para baixo do que para cima, o experimento solucionou pela primeira vez um compenente espelho-assimetrico ou lateralização da força fraca. Imagem:  Andy Sproles / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy.

Prótons e neutrons são feitos de partículas menores chamadas quarks. Os quarks se juntam devido a interação forte que é uma das quatro forças conhecidas da natureza: força forte, eletromagnetismo, força fraca e gravidade. 


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A força fraca existe nas pequenas distâncias entre os prótons e os neutrons; a interação forte confina os quarks dentro dos neutros e dos prótons. 

A força fraca também conecta a rotação em torno do eixo (axial spin) e a direção do movimento das partículas nucleares, revelando como os quarks se movem dentro dos prótons e dos neutrons.  

O objetivo do Experimento NPDGamma era isolar e medir um componente dessa interação fraca, qual se manifesta emitindo raios gamma que podem ser contados e analisados com alta precisão estatística,” disse o Dr. David Bowman responsável pela equipe de físicos do ORNL. 

O experimento canalizou neutrons frios contra um alvo de hidrogênio líquido. 

O aparato foi projetado para controlar a direção do spin dos neutrons em baixa velocidade, virando o spin para cima ou para baixo conforme desejado.  

Quando os neutrons manipulados atingiram o alvo eles interagiram com os prótons, dentro dos atómos de hidrogênio líquido, emitindo raios gamma que foram medidos por sensores especiais   

Após analizar os raios gamma o Dr. Bowman e seus colegas descobriram a assimetria de violação de paridade, a qual é uma mudança no comportamento da força entre entre um neutron e um próton.  

“Se a paridadde se conserva-se um núcleo giraria para direita e outro giraria para esquerda, como se fossem imagens espelhadas, tendo como resultado o mesmo número de raios gamma sendo emitidos para cima e para baixo”.

“Mas, de fato, observamos mais raios gamma indo para baixo, isto nos levou a isolar e medir uma componente da assimetria espelho da força fraca.” 

A equipe refez o experimento inúmeras vezes e por aproximadamente duas décadas eles contaram e caracterizaram os raios gamma e coletaram dados a partir de eventos baseados na direção do spin do neutron e outros fatores. 

Os resultados preencheram uma parte vital da informação, mas ainda existem teorias para serem testadas. 

“Existe uma teoria para a força fraca entre os quarks dentro do próton e do neutron, mas considerando a força forte entre os quarks que se traduz em força entre o próton e o neutron não está completamente compreendida. Então, a força fraca entre os quarks continua sendo um problema não resolvido,” disse W. Michael Snow que é membro da equipe e Professor da Universidade de Indiana.   

Ele comparou as medições da força fraca em relação à força forte como sendo uma espécie de indicador, semelhante ao indicador utilizado na biologia quando este, o indicador, revela um processo de interesse sem perturbar o sistema em questão.   

“A interação fraca nos permite revelar características únicas da dinâmica dos quarks no interior do núcleo de um átomo”, disse o Professor Snow. 

Fonte: Sci-News


D. Blyth et al (NPDGamma Collaboration). 2018. First Observation of P-odd γ Asymmetry in Polarized Neutron Capture on Hydrogen. Phys. Rev. Lett 121 (24); doi: 10.1103/PhysRevLett.121.242002

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