Waarom gedraagt lood zich zo verschillend van andere atoomkernen wanneer het wordt geraakt door elektronen? Een team van fysici aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) heeft een belangrijke stap gezet naar een antwoord op deze vraag, en de bevindingen zijn zelfs dieper en complexer dan eerder gedacht.
Elektronen verstrooien vaak op voorspelbare wijze van atoomkernen. Een goed geteste eigenschap is dat het omkeren van de spin van de binnenkomende elektronen de verstrooiingspatronen lichtjes zou veranderen, een effect dat wordt aangedreven door de uitwisseling van twee “virtuele fotonen” tussen het elektron en de kern. Voor de meeste kernen voorspelt de theorie precies hoe groot dit effect zou moeten zijn, en tientallen jaren aan experimenten hebben deze voorspellingen bevestigd. Lood valt echter altijd op. Eerdere metingen uitgevoerd bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse Ministerie van Energiem toonden aan dat dit spin-afhankelijke effect voor lood helemaal leek te verdwijnen, een resultaat dat door bestaande theorieën niet kon worden verklaard.
Het experiment bij de Mainz Microtron
In een nieuw experiment dat werd uitgevoerd met de high-resolution A1 spectrometers bij de Mainz Microtron (MAMI), meet het JGU-team hetzelfde proces bij een andere straalenergie en verstrooiingshoek. Dit keer was het effect duidelijk aanwezig en verrassend groot. In plaats van de eerdere anomalie op te lossen, intensifieert de nieuwe meting deze juist: het gedrag van de loodkern verandert drastisch met de energie op een manier die de huidige theorie niet kan verklaren.
“Dit resultaat bevestigt dat het raadsel echt is,” zegt Professor Dr. Concettina Sfienti, die het project leidt. “Het betekent dat er onontgonnen natuurkunde is in de manier waarop elektronen zware kernen onderzoeken, en we hebben nieuwe theoretische ideeën nodig om dit te begrijpen.”
Het werk werd uitgevoerd in het Coöperatieve Onderzoekscentrum (CRC) 1660 “Hadrons en Kernen als Ontdekkingshulpmiddelen.” Een kernmissie van CRC 1660 is het gebruik van precisie-experimenten om subtiele effecten in de nucleaire structuur aan het licht te brengen, die nieuwe vensters kunnen openen naar het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het onverwachte gedrag van lood komt nu naar voren als een van de meest intrigerende gevallen van de CRC, een opvallend voorbeeld van hoe verhogen van precisie metingen gaten kan onthullen, zelfs in goed gevestigde theorieën.
Belangrijke implicaties voor toekomstige experimenten bij MESA
De bevindingen hebben ook sterke implicaties voor het toekomstige P2-experiment bij de nieuwe MESA-versneller, die momenteel wordt gebouwd op de campus in Mainz als onderdeel van de PRISMA++ Cluster of Excellence. Bij MESA zullen onderzoekers extreem kleine effecten in de elektronverstrooiing meten om het Standaardmodel met ongekende nauwkeurigheid te testen. Het begrijpen van de rol van tweefotonuitwisseling in zware kernen—zoals het verrassende gedrag dat nu bij lood wordt waargenomen—is essentieel om de precisie te bereiken die nodig is bij P2.
“Met dit nieuwe resultaat van MAMI krijgen we een veel duidelijker beeld van wat begrepen moet worden voordat we naar het volgende niveau van precisie bij MESA gaan,” legt Sfienti uit. “Wat we vandaag meten, vormt rechtstreeks de routekaart voor de hoogprecisie natuurkunde van morgen.”
