La fuerza débil; una visión desde la física atómica del Francio.

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 A_N y V_e

El Lagrangiano con la violación de paridad entre el quark y el electrón a bajas energías:

[ ]

∑

+

=

d u i

i i

i i

i i

F C e eq q C e eq q

G

,

5 2

5

2 1 γ ^µγ γ _µ γ ^µ γ _µγ L

C_1u,d . C_2u,d [x=sin²θ_w(M_z)≈0.2323]

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

−

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

x C

x C

d u

3 1 4

2 1

3 1 8

2 1

1 1

A_e – VN V_e – A_N

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> + δ_pnc|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> + δ^E|P> + δpnc|P>

Medir la tasa de excitación en un aparato con paridad y cambiar esta pues δ_pnc cambiará de signo

Measure rate MR=|δ^E±δ_pnc| ² Signal=(MR(+)-MR(-))/|_δE^|2 La carga débil está relacionada con δ_pnc via <γ⁵> que proveniente de calculos atómicos.

¿Es el valor de Q_w el del modelo estandard?

Q_w = δ_pnc

< γ ⁵ >en el nucleo

Qw =−2[(2Z +N) C1u+(Z+2N) C1d] + ε

Para observar es necesario utilizar interferencia con una transicion permitida

| S> + δpnc|P>→ |S> + δ^E|P> + δpnc|P>

Medir la tasa de excitación en un aparato con paridad y cambiar esta pues δ_pnc cambiará de signo

Medición de tasa MT=|δ^E±δ_pnc| ² = |δ_E ² ± 2δ_pnc δ_E + δ_pnc ²|

MT (±)≈|δ_E ² ± 2δ_pnc δ_E |

δ_E funciona como amplificador

Señal=(MT(+)-MT(-))/| _δE 2| Señal=4δ_pnc /δ_E

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: τ_1/2=20min; ²⁰⁹Fr: τ_1/2=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

7S_1/2

7P_1/2 7P_3/2 8S_1/2

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

Energía (Un. Arb.)

Distancia del núcleo (Un. Arb.)

8S_1/2

7S_1/2

7P_1/2 7P_3/2 F=U

F=L

F=U

F=L Excitation at

1012 nm

Detection at

817 nm

Not detected

Not detected

7S_1/2 8S_1/2(10⁶ MHz amu) D1 (106 MHz amu)

-60 -58 -56 -54 -52 -50

210Fr

208Fr

211Fr

209Fr

Residuals

Residuals

-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 -49

0.1 0.0

-0.1 -0.2

King plot two-photon vs D1 shifts relative to

Fr

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. A_S,P [ρ]= coeficiente hiperfino ∝separación hiperfina

7P_1/2

7S_1/2

πh_9/2

νf_5/2

radial distribution

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

Normalized R HFS(A) h_9/2

p_1/2 f_5/2

f_5/2 f_5/2

m

f_5/2

i_13/2 p_3/2

g

N

A

El sueño en francio

iso sca la r

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