La fuerza débil; una visión desde la física atómica del ...• El valor de la interacción...
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Luis A. Orozco Sociedad Mexicana de Física, Reunión Anual
Puebla, Mexico. Octubre 2018. www.jqi.umd.edu
La fuerza débil; una visión desde la física atómica
del Francio.
Plática dedicada al Dr. Eduardo Gómez cómplice en el Francio.
Agradecimiento:
Por las discusiones sobre fuerza débil a:
John Behr Betsy Beise
Victor Flambaum Eduardo Gómez Gerald Gwinner
Apoyo económico:
National Science Foundation, Estados Unidos
Rutherford descubre dos tipos de rayos (α, β) como parte de sus investigaciones sobre radioactividad: ¡Algo probabilistico en la naturaleza!
Ernest Rutherford
Decaimiento beta del Carbono 14 como era observado en 1930
Decaimiento Beta: Lise Meitner y Otto Hann (1911), Jean Danysz (1913) y James Chadwick (1914) miden el espectro y muestra un continuo de energías del electrón.
210Bi
Teoría del decaimiento beta por Enrico Fermi en 1934, trata el proceso como si fuese emisión
espontánea
Enrico Fermi
|base> |base>
|excitado>|excitado>
|protón> |protón>
|neutrón>|neutrón>
fotón
electrón (anti)neutrino
Emisión espontánea
Decaimiento beta
La interacción débil comienza a ser entendida: • La interacción es muy pequeña, la vida media es
muy larga. • Es una fuerza que cambia el “sabor” de partículas;
por ejemplo un neutrón se convierte en un protón. • Hay otras partículas parecidas a electrón: el muón y
el tau con sus correspondientes neutrinos. • El decaimiento beta no solo se da en núcleos sino
tambien con piones donde se producen muones. • El valor de la interacción parece ser la misma en
decaimiento de nucleos como en decaimiento de piones (universalidad)
Una sorpresa en 1956
La naturaleza no tiene simetría P. 1950 Purcell y Ramsey dicen debería ser medida.
1956 T. D. Lee y C. N Yang apuntan a la falta de evidencia experimental sobre la conservación de P.
1957 Tres experimentos muestran que la interacción debil viola P: Wu, Lederman and Telegdi están asociados con los tres
esfuerzos. El experimento Columbia-NBS con Wu, Amber, Hayward, Hoppes and Hudson estudiaron decaimeinto β en 60Co.
60Co decaimiento β Wu, Ambler, Hayward, Hoppes, and Hudson;
Columbia, National Bureau of Standards (ahora NIST).
Buscar una correlación entre : spin nuclear σ y el momentum del electrón p
p!! ⋅σ
Para alinear los espines del nucleo en el campo magnético externo y limitar el
espacio de fase de los espines fue necesario enfriar la muestra.
Asimetría de los electrones respecto a la direccion del spin nuclear. Physical Review,105,1413 (1957).
Mas sorpresas de la interacción débil:
Los electrones en decaimiento beta son zurdos
Viola CP y T; preserva CPT
Los neutrinos se llevan la mayor parte de la energía en una explosión de supernova
Los neutrinos tienen masa y oscilan
…
Violación de paridad en átomos
• 1959 Zel’dovich sugiere que podría haber un efecto en la rotación óptica.
• 1967 El modelo de Weimberg-Salam de las interacciones electrodébiles incluye un bosón neutro Z0 cuyo intercambio no cambia la carga
. • 1974 M. A. Bouchiat y C. Bouchiat sugieren utilizar
átomos pesados. • 1978 El experimento en Novosibirsk con Bi obtiene
un resultado de 4.5σ; El experimento de Berkeley con Tl muestra un resultado de 2.1σ..
Diagrama de Feynmann que da origen a la violación de paridad en átomos, otro similar con AN y Ve
El Lagrangiano con la violación de paridad entre el quark y el electrón a bajas energías:
[ ]∑=
+=dui
iiiiiiF qqeeCqqeeCG
,
52
512
γγγγγγ µµ
µµL
C1u,d . C2u,d [x=sin2θw(Mz)≈0.2323]
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −−=
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −=
xC
xC
d
u
341
21
381
21
1
1
Ae – VN Ve – AN
Las interacciones electromagnéticas conservan paridad. La existencia del bosón Z0 viola paridad.
El electrón tiene una probabilidad finita de estar
en el núcleo e intercambiar un Z0 con un protón o neutrón.
Los estados S adquieren un poco de caracter P.
|S’> =|S> + δpnc|P>
La transición dipolar n |S’> →n+1|S’> es permitida por
Para observar es necesario utilizar interferencia con una transicion permitida
| S> + δpnc|P>→ |S> + δE|P> + δpnc|P>
Medir la tasa de excitación en un aparato con paridad y cambiar esta pues δpnc cambiará de signo
Measure rate MR=|δE±δpnc| 2 Signal=(MR(+)-MR(-))/|δE|2 La carga débil está relacionada con δpnc via <γ5> que proveniente de calculos atómicos.
¿Es el valor de Qw el del modelo estandard?
Qw =δpnc
< γ 5 >enel nucleo
Qw =−2[(2Z+N) C1u+(Z+2N) C1d ] + ε
Para observar es necesario utilizar interferencia con una transicion permitida
| S> + δpnc|P>→ |S> + δE|P> + δpnc|P>
Medir la tasa de excitación en un aparato con paridad y cambiar esta pues δpnc cambiará de signo
Medición de tasa MT=|δE±δpnc| 2 = |δE
2 ± 2δpnc δE + δpnc
2|
MT (±)≈|δE 2
± 2δpnc δE | δE funciona como amplificador Señal=(MT(+)-MT(-))/| δE 2|
Señal=4δpnc /δE
Resultados (JILA 1997) de violación de paridad en Cs y comparación con la predicción del modelo estandard
PDG 2013
Descubrimiento del francio como producto del
decaimiento alpha del actinio 1939 (Margarite
Perey)
Veronique Greenwood, My Great-Great-Aunt Discovered Francium. And It Killed Her.
New York Times Magazine Dec. 3, 2014
Margarite Perey, Institute du Radium, Paris~1939
Fr
• Z=87; A=206-213 y el rico en neutrones 221 (TRIUMF) • Radioactivo (212Fr: τ1/2=20min; 209Fr: τ1/2=1 min) • Hacerlo y atraparlo. • Tiene una estructura atómica cuantitativamente entendible • Queremos usarlo como un laboratorio para entender la interacción débil mejor.
ISAC I Hall TRIUMF, Francium Trapping Facility
Corrida en TRIUMF Septiembre 2018
2×106 átomos
1×106 átomos
Niveles atómicos de energía del Francio
7S1/2
7P1/2
7P3/2
8S1/2
506nm 718nm
817nm
6D state
Preparación de los experimentos de violación de paridad en Fr
Niveles de energía del Fr necesarios para la medición óptica de violación de paridad.
Necesitamos entender el átomo y las propiedades nucleares que entran en los
cálculos.
• Función de onda electrónica (vida media). • Radio nuclear de carga (desplazamiento
isotópico). • Radio nuclear de magnetización (anomalía
hiperfina). • Medir la polarizabilidad escalar (alfa). • Medir la polarizabilidad vectorial (beta).
Desplazamiento Isotópico
Núcleo puntual
Núcleo de tamaño finito
Ene
rgía
(U
n. A
rb.)
Distancia del núcleo (Un. Arb.)
8S1/2
7S1/2
7P1/2
7P3/2
F=U
F=L
F=U
F=L
Excitation at1012 nm
Detection at817 nm
Not detected
Not detected
7S1/2
8S1/2
(106 MHz amu)
D1
(1
06 M
Hz a
mu
)
-60
-58
-56
-54
-52
-50
210Fr
208Fr
211Fr
209Fr
Residuals
Res
idua
ls
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
-48 -47 -46 -45 -44 -43 -42 -41-49
-60
-58
-56
-54
-52
-50
-48 -47 -46 -45 -44 -43 -42 -41-490.10.0-0.1-0.2
King plot two-photon vs D1 shifts relative to 213Fr
Comparación de la pendiente de la gráfica de King:
Experimento: 1.230 ± 0.019
Theoría: 1.234 ± 0.010
Interacción hiperfina: Interacción del electrón con el momento magnético del núcleo.
Anomalía hiperfina: ε cuantifica el efecto del tamaño finito del nucleo.
AS,P [ρ]= coeficiente hiperfino ∝separación hiperfina
7P1/2
7S1/2
πh9/2
νf5/2
radi
al d
istri
butio
n
radius (fm)
francium
ρ=distribución de la magnetización nuclear
Anomalía hiperfina
Verde: Teroría
de la estructura nuclear
Azul y rojo:
Mediciones en 9 isótopos.
Dos isómeros del 206 g y m
0.994
0.996
0.998
1.000
1.002
1.004
204 206 208 210 212 214 221
118 120 122 124 126 134
Nor
mal
ized
RH
FS(A
) /h9/2
ip1/2if5/2if5/2if5/2
m
if5/2
ii13/2
ip3/2
g
N
A
El sueño en francio is
osca
lar
isovector
Melville, Moby Dick: “Call me Ishmael. Some years ago …I thought I would sail about a little and see the watery part of the world .” Cavafis, Itaca: “Cuando emprendas el viaje hacia Itaca desea que tu camino sea largo…. Itaca te brindó tan hermoso viaje. Sin ella no habrias emprendido el camino.... Aunque la halles pobre, Itaca no te ha engañado. Asi, sabio como te has vuelto, con tanta experiencia, entenderás ya qué significan las Itacas.”
MUCHAS GRACIAS