Par le ministère américain de l’énergie
22 juin 2023
Un neutron en rotation se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino lorsqu’un quark down du neutron émet un boson W et se convertit en quark up. L’échange de quanta de lumière (γ) entre les particules chargées modifie la force de cette transition. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Vincenzo Cirigliano, Institut de théorie nucléaire.
Sommaire
Nouvelles perspectives sur l’interaction entre l’électromagnétisme et la force nucléaire faible
Les théoriciens du nucléaire ont découvert un effet majeur dans la désintégration des neutrons lié à l’interaction des forces faibles et électromagnétiques. Cette découverte modifie notre compréhension de la désintégration des neutrons et souligne la nécessité de calculs de haute précision des effets électromagnétiques. Elle a également un impact sur la recherche de phénomènes qui pourraient restaurer la symétrie miroir-réflexion dans l’univers.
The Science
À l’extérieur des noyaux atomiques, les neutrons sont des particules instables dont la durée de vie est d’environ quinze minutes. Le neutron se désintègre sous l’effet de la force nucléaire faible, laissant derrière lui un proton, un électron et un antineutrino. La force nucléaire faible est l’une des quatre forces fondamentales de l’univers, avec la force forte, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. La comparaison des mesures expérimentales de la désintégration des neutrons avec les prédictions théoriques basées sur la force nucléaire faible peut révéler des interactions qui n’ont pas encore été découvertes. Pour ce faire, les chercheurs doivent atteindre des niveaux de précision extrêmement élevés. Une équipe de théoriciens nucléaires a découvert un nouvel effet relativement important dans la désintégration des neutrons, qui résulte de l’interaction entre les forces faible et électromagnétique.
L’impact
Cette recherche a mis en évidence un changement dans la force avec laquelle un neutron en rotation subit la force nucléaire faible. Cela a deux implications majeures. Premièrement, les scientifiques savent depuis 1956 qu’en raison de la force faible, un système et un autre construit comme son image miroir ne se comportent pas de la même manière. En d’autres termes, la symétrie de réflexion du miroir est brisée. Cette recherche concerne la recherche de nouvelles interactions, techniquement connues sous le nom de « courants de droite », qui, à des distances très courtes, inférieures à cent quadrillionièmes de centimètre, rétablissent la symétrie de réflexion du miroir de l’univers. Deuxièmement, ces recherches soulignent la nécessité de calculer les effets électromagnétiques avec une plus grande précision. Pour ce faire, il faudra utiliser les futurs ordinateurs à haute performance.
Résumé
Une équipe de chercheurs a calculé l’impact des interactions électromagnétiques sur la désintégration des neutrons due à l’émission et à l’absorption de photons, les quanta de lumière. L’équipe comprenait des théoriciens nucléaires de l’Institut de théorie nucléaire de l’Université de Washington, de l’Université d’État de Caroline du Nord, de l’Université d’Amsterdam, du Laboratoire national de Los Alamos et du Laboratoire national de Lawrence Berkeley.
Le calcul a été effectué à l’aide d’une méthode moderne, connue sous le nom de « théorie effective des champs », qui organise efficacement l’importance des interactions fondamentales dans les phénomènes impliquant des particules en interaction forte. L’équipe a identifié un nouveau décalage en pourcentage du couplage axial du nucléon, gA, qui régit la force de désintégration d’un neutron en rotation. La nouvelle correction provient de l’émission et de l’absorption de pions chargés électriquement, qui sont des médiateurs de la force nucléaire forte. Bien que la théorie des champs effectifs fournisse une estimation des incertitudes, l’amélioration de la précision actuelle nécessitera des calculs avancés sur les superordinateurs du ministère de l’énergie. Les chercheurs ont également évalué l’impact sur les recherches de courants de droite. Ils ont constaté qu’après prise en compte de la nouvelle correction, les données expérimentales et la théorie sont en bon accord et que les incertitudes actuelles permettent encore d’envisager une nouvelle physique à une échelle de masse relativement faible.
Référence : « Pion-Induced Radiative Corrections to Neutron β Decay » par Vincenzo Cirigliano, Jordy de Vries, Leendert Hayen, Emanuele Mereghetti et André Walker-Loud, 12 septembre 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.121801
Cette recherche a été soutenue par le Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics ; le Laboratory Directed Research and Development program au Los Alamos National Laboratory ; la National Science Foundation ; et le Dutch Research Council.