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Nuevos conocimientos sobre la interacción del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil

Nuevos conocimientos sobre la interacción del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil

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Un neutrón giratorio se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino cuando el quark down del neutrón emite un bosón W y se transforma en un quark up. El intercambio de la cantidad de luz (γ) entre las partículas cargadas cambia la fuerza de esta transición. Crédito: Vincenzo Cirigliano, Instituto de Teoría Nuclear

Fuera de los núcleos atómicos, los neutrones son partículas inestables, con una vida útil de unos quince minutos. Un neutrón se desintegra debido a la fuerza nuclear débil, dejando atrás un protón, un electrón y un antineutrino. La fuerza nuclear débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, junto con la fuerza fuerte, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria.

La comparación de mediciones experimentales de decaimiento de neutrones con predicciones teóricas basadas en la fuerza nuclear débil puede revelar interacciones que aún no se han descubierto. Para hacer esto, los investigadores deben lograr niveles extremadamente altos de precisión. Un equipo de teóricos nucleares ha descubierto un nuevo y relativamente grande efecto de decaimiento de neutrones que surge de la interacción de las fuerzas débil y electromagnética.

Esta investigación identificó un cambio en la fuerza con la que un neutrón giratorio experimenta la fuerza nuclear débil. Esto tiene dos efectos principales. Primero, los científicos saben desde 1956 que debido a la fuerza débil, un sistema y otro construido como su imagen especular no se comportan de la misma manera. En otras palabras, se rompe la simetría del reflejo del espejo. Esta investigación incide en la búsqueda de nuevas interacciones, conocidas técnicamente como «corrientes de mano derecha», que, a distancias muy cortas, de menos de una centésima de millonésima de centímetro, restauran la simetría especular-reflexiva del universo. En segundo lugar, esta investigación indica la necesidad de calcular los efectos electromagnéticos con mayor precisión. Hacerlo requerirá el uso de computadoras de alto rendimiento en el futuro.

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Un equipo de investigadores ha calculado el efecto de las interacciones electromagnéticas en la descomposición de los neutrones debido a la emisión y absorción de fotones, que son los cuantos de luz. El equipo incluyó teóricos nucleares del Instituto de Teoría Nuclear de la Universidad de Washington, la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Amsterdam, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y sus hallazgos se publican en Cartas de revisión física.

El cálculo se realizó utilizando un método moderno, conocido como «teoría del campo efectivo», que regula de manera efectiva la importancia de las interacciones fundamentales en fenómenos que involucran partículas que interactúan mucho. El equipo identificó un nuevo cambio en el nivel porcentual del acoplamiento axial del nucleón, gA, que controla la fuerza de decaimiento del neutrón giratorio. El nuevo parche surge de la emisión y absorción de piones cargados eléctricamente, que son mediadores de la fuerza nuclear fuerte. Si bien la teoría de campo efectiva proporciona una estimación de las incertidumbres, mejorar la precisión actual requerirá cálculos avanzados en las supercomputadoras del DOE.

Los investigadores también evaluaron el efecto en las búsquedas con la mano derecha. Descubrieron que después de incluir el nuevo parche, los datos experimentales y teóricos concordaban bien y las incertidumbres existentes aún permitían nueva física a una escala de masa relativamente baja.