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