Rechtshändige Ströme und Neutronenzerfallswechselwirkung

Ein rotierendes Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, wenn ein Down-Quark im Neutron ein W-Boson emittiert und sich in ein Up-Quark umwandelt. Der Austausch von Lichtquanten (γ) zwischen geladenen Teilchen verändert die Stärke dieses Übergangs. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von Vincenzo Cirigliano, Institut für Kerntheorie

Neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Elektromagnetismus und schwacher Kernkraft

Kerntheoretiker haben einen großen Effekt beim Neutronenzerfall entdeckt, der mit der Wechselwirkung schwacher und elektromagnetischer Kräfte zusammenhängt. Dieser Befund verändert unser Verständnis des Neutronenzerfalls und signalisiert die Notwendigkeit hochpräziser Berechnungen elektromagnetischer Effekte. Es wirkt sich auch auf die Suche nach Phänomenen aus, die die Spiegelungssymmetrie im Universum wiederherstellen könnten.

Die Wissenschaft

Außerhalb von Atomkernen sind Neutronen instabile Teilchen mit einer Lebensdauer von etwa fünfzehn Minuten. Das Neutron zerfällt aufgrund der schwachen Kernkraft und hinterlässt a Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Die schwache Kernkraft ist neben der starken Kraft, der elektromagnetischen Kraft und der Gravitationskraft eine der vier Grundkräfte im Universum. Der Vergleich experimenteller Messungen des Neutronenzerfalls mit theoretischen Vorhersagen, die auf der schwachen Kernkraft basieren, kann bisher unentdeckte Wechselwirkungen aufdecken. Dafür müssen die Forscher ein Höchstmaß an Präzision erreichen. Ein Team von Kerntheoretikern hat einen neuen, relativ großen Effekt beim Neutronenzerfall entdeckt, der aus dem Zusammenspiel schwacher und elektromagnetischer Kräfte entsteht.

Der Aufprall

Diese Forschung ergab eine Verschiebung in der Stärke, mit der ein rotierendes Neutron die schwache Kernkraft erfährt. Dies hat zwei wesentliche Auswirkungen. Erstens wissen Wissenschaftler seit 1956, dass sich ein System und ein System, das wie sein Spiegelbild aufgebaut ist, aufgrund der schwachen Kraft nicht gleich verhalten. Mit anderen Worten: Die Spiegelungssymmetrie wird gebrochen. Diese Forschung befasst sich mit der Suche nach neuen Wechselwirkungen, die technisch als „rechtshändige Ströme“ bekannt sind und die in sehr kurzen Abständen von weniger als einem Hundertbillionstel Zentimeter die Spiegelungssymmetrie des Universums wiederherstellen. Zweitens weist diese Forschung auf die Notwendigkeit hin, elektromagnetische Effekte mit höherer Präzision zu berechnen. Dies erfordert den Einsatz zukünftiger Hochleistungsrechner.

Zusammenfassung

Ein Forscherteam berechnete den Einfluss elektromagnetischer Wechselwirkungen auf den Neutronenzerfall aufgrund der Emission und Absorption von Photonen, den Lichtquanten. Dem Team gehörten Kerntheoretiker des Institute for Nuclear Theory der University of Washington, der North Carolina State University, der University of Amsterdam, des Los Alamos National Laboratory und des Lawrence Berkeley National Laboratory an.

Die Berechnung wurde mit einer modernen Methode durchgeführt, die als „effektive Feldtheorie“ bekannt ist und die Bedeutung grundlegender Wechselwirkungen in Phänomenen mit stark wechselwirkenden Teilchen effizient organisiert. Das Team identifizierte eine neue prozentuale Verschiebung der Nukleonen-Axialkopplung, gA, die die Zerfallsstärke eines rotierenden Neutrons bestimmt. Die neue Korrektur entsteht durch die Emission und Absorption elektrisch geladener Pionen, die Vermittler der starken Kernkraft sind. Während die effektive Feldtheorie eine Schätzung der Unsicherheiten liefert, erfordert die Verbesserung der aktuellen Präzision fortgeschrittene Berechnungen auf Supercomputern des Energieministeriums. Die Forscher bewerteten auch die Auswirkungen auf die Suche nach Rechtshändern. Sie fanden heraus, dass experimentelle Daten und Theorie nach Einbeziehung der neuen Korrektur gut übereinstimmen und die aktuellen Unsicherheiten immer noch neue Physik auf einer relativ niedrigen Massenskala ermöglichen.

Referenz: „Pion-Induced Radiative Corrections to Neutron β Decay“ von Vincenzo Cirigliano, Jordy de Vries, Leendert Hayen, Emanuele Mereghetti und André Walker-Loud, 12. September 2022, DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.121801