Тайната на живота на неутрона
Неутронът е един от градивните елементи на материята. Самото име подсказва
Но колко време отнема един неутрон да се „разпадне“ остава загадка. И ето защо.
Един метод за измерване на измерването дава резултат от 887,7 секунди, плюс или минус 2,2 секунди.
Друг метод показва 878,5 секунди, плюс или минус 0,8 секунди.
Ето ги, същите тези девет секунди, които объркват учените.
Отначало изглеждаше, че тази разлика се дължи начувствителност на измерване. Напълно валидна теория. Учените обаче продължават да провеждат поредица от все по-точни експерименти и коварното несъответствие все още остава.
Тази последователност в разликата в данните ясно показвакъм някакъв непознат тип физика, сигурни са учените. Това може да означава неизвестен досега процес на разпадане на неутрони. Или такова фундаментално несъответствие може да сочи към наука отвъд стандартния модел, който учените в момента използват, за да обяснят цялата физика на елементарните частици. В крайна сметка има редица явления, които Стандартният модел не обяснява напълно.
Всъщност това не е теория за всичко, тъй катоне описва тъмна материя, тъмна енергия и не включва гравитацията. Въпреки това, експерименталното потвърждение за съществуването на междинни векторни бозони в средата на 80-те години завърши изграждането на Стандартния модел и приемането му като основен.
И все пак, необходимостта от разширяване на моделавъзникна през 2002 г. след откриването на неутринните трептения. Между другото, потвърждението за съществуването на хигс бозона през 2012 г. завърши експерименталното откриване на елементарни частици, предсказано от Стандартния модел.
За да се разгадае странното несъответствие вживот на неутрона Научната служба на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) работи с други федерални агенции, национални лаборатории и университети.
Защо да изследваме неутрона?
Ядрените физици са първите, които изучават времетоживота на неутрона поради важната му роля във физиката. „В природата има някои основни величини, които винаги са важни“, обяснява Джеф Грийн, професор от Университета в Тенеси и физик в Националната лаборатория на Оук Ридж към Департамента по енергетика. По-голямата част от живота си е изучавал живота на неутроните - около 40 години. "Теориите идват и си отиват, но продължителността на живота на неутроните остава централна за много процеси."
Всъщност неутронът е полезно ръководство заразбиране на други частици. Това е най-простата радиоактивна частица, поради което редовно се разпада на други частици. По този начин неутронът дава на учените добра представа за самата слаба сила, която определя дали неутроните се превръщат в протони или не. Често този процес освобождава енергия и кара ядрата да се разпадат. Процесите на слабо взаимодействие също играят важна роля в ядрения синтез, където два протона се комбинират.
Неутронният живот може също така да даде на учените представа за случилото се непосредствено след Големия взрив. Съблазнително, нали?
Илюстрация за експлозия на неутронна звезда
Само секунди след образованиетопротони и неутрони, но преди да се обединят в елементи, времето е започнало. Вселената бързо се охлаждаше. В един момент той се охлади толкова много, че протоните и неутроните се комбинираха почти мигновено, образувайки хелий и водород. Ако неутроните се разпаднат на протони малко по-бързо или по-бавно, това би имало огромно въздействие върху целия процес на Вселената. Вселената би имала съвсем различен баланс на елементите; вероятно е самият живот изобщо да не съществува.
Учените се надяват да получат едноцифрено число задефиниция на живота на неутрона, така че той да може да бъде включен в различни уравнения, описващи Вселената. Несигурността на живота на неутроните е приемлива, но когато е по-малка от секунда. Получаването на сигурност само за едно число се оказа по-трудно, отколкото физиците очакваха.
Неутронният живот е един от най-малко известните основни параметри на стандартния модел.
Zhaouen Tang е физик в Националната лаборатория в Лос Аламос (LANL) на Министерството на енергетиката на САЩ.
Да, разбира се, различни индивидиекспериментите успяха да постигнат необходимото ниво на точност. Но несъответствието между различните видове експерименти пречи на учените да определят конкретно число на неутронния живот.
Как е открита несъответствието на данните
Разберете, че има такиваразликата в данните възникна поради желанието на физиците да дадат отговори на всички въпроси за Вселената. Използването на два или повече метода за измерване на едно и също количество е най-добрият начин да се осигури точно измерване. Но учените не могат да настроят таймери на неутроните, за да видят колко бързо те се разпадат. Вместо това те намират начини да измерват неутроните преди и след тяхното разпадане, за да изчислят техния живот.
И това е основният проблем.
Когато физиците изтръгват неутрони от атомни ядра,поставете ги в бутилка и пребройте колко неутрона ще останат в нея след известно време, те предполагат, че неутроните претърпяват радиоактивен разпад средно след 14 минути 39 секунди. Но когато други физици създават лъчи от неутрони и преброяват броя на протоните, които се появяват - частици, които са продукти на разпадане на свободните неутрони - те получават средно време на живот от около 14 минути 48 секунди.
Все още остава несъответствието между измерванията на "бутилката" и "лъча".
Несъответствия между измерванията в "бутилката" и„Лъчът“ съществува още от дните, когато методите за изчисляване на живота на неутрона започват да дават резултати през 90-те години. Отначало всички измервания бяха толкова неточни, че никой не се притесняваше за това. Но постепенно и двата метода се усъвършенстваха и въпреки това се различаваха в оценките.
При експерименти с лъчи се използват машиникоито създават потоци от неутрони. Учените измерват броя на неутроните в определен обем на лъча. След това те насочват потока през магнитното поле в уловител на частици, образуван от електрическото и магнитното поле. Неутроните се разпадат в капана, където физиците измерват количеството протони, които са останали.
Протонен детектор в Националния институт за стандарти и технологии, използван в лъчевия метод.
Напротив, експериментите с бутилки улавятултра студени неутрони в контейнер. Свръхстудените неутрони се движат много по-бавно от нормалните неутрони - няколко метра в секунда, в сравнение с 10 милиона метра в секунда от реакции на делене. Учените първо измерват колко неутрона са в контейнера, а след това отново след определен период от време. Изучавайки разликата, те могат да изчислят колко бързо неутроните се разпадат.
Експериментирайте в UNCtau в Лос Аламос, използвайки метода на бутилката за измерване на живота на неутроните
„В експеримента с бутилка те измерват„Оцелелите“ са „мъртви“ в радиационен експеримент“, обяснява Грийн. „Експериментът с бутилка звучи лесно, но всъщност е много труден. От друга страна, експериментът с лъчите звучи сложно и в действителност също е труден за изпълнение.”
Грийн и неговите сътрудници извършиха нови измервания в2013 г. в NIST, което им помогна да преизчислят още по-точно експеримент с лъч, който проведоха в същата лаборатория през 2005 г. Към този момент учените са завършили пет експеримента с бутилки и два с гроздове. Грийн беше убеден, че предишните експерименти с лъчи пропускаха един от най-големите източници на несигурност. А именно точно преброяване на броя на неутроните в лъча. Физиците са подобрили своите измервания на тази променлива, за да ги направят пет пъти по-точни. Но осем години упорит труд ги оставиха без нищо. По-точно със същата разлика в резултатите.
Учени, работещи върху експерименти сбутилки, изправени пред собствените си трудности. Едно от най-големите предизвикателства при измерването беше да се предотврати загубата на неутрони при взаимодействие с материала, от който е направен контейнерът. Течът променя броя на неутроните в края на разпадането и пречи на изчисленията.
За да разрешите този проблем, в последнияЕкспериментът с бутилка на LANL, който беше подкрепен от Министерството на науката на САЩ, елиминира физическите стени. Вместо това ядрените физици използваха магнитни полета и гравитация, за да задържат неутроните на място.
„Бях убеден, че ако направим това, ниеможем да накараме неутронът да живее по-дълго и да се съгласим с неговия живот в резултат на експериментите с лъчи “, каза Чен-Ю Лиу, жена професор от Университета в Индиана, която ръководи експеримента. "Това беше моето лично пристрастие."
Но разликата остава.„Това беше голям шок за мен“, призна тя по-късно, позовавайки се на резултатите, публикувани през 2018 г. Шансът разликата да се дължи на съвпадение е по-малка от една на 10 000. Но все пак може да се дължи на експериментална грешка.
Защо възниква грешката?
Учените са изправени пред два типанесигурности или грешки в експериментите: статистически или систематични. Статистическите грешки възникват от недостатъчно данни. Това ни пречи да правим твърди заключения. Получаването на големи данни намалява грешките.
Систематичните грешки са основнинесигурност на експеримента. Между другото, те често не са очевидни. Двата вида експерименти с неутрон през целия живот имат напълно различни потенциални системни грешки. Ако резултатите бяха едни и същи, експериментите щяха да бъдат отличен тест един за друг. Но това не се случва.
„Най-трудното нещо при измерването на живота на неутрона- то е, че е и твърде кратко, и твърде дълго “, казва Хугхайде. "Оказва се, че 15 минути са наистина неудобно време за измерване във физиката."
Ето защо ядрените учени продължават да работят за събиране на допълнителни данни и свеждане до минимум на системните грешки.
Вертикален - живот на неутрон в секунди. Червеното маркира резултатите от експерименти с лъчи, синьото - с бутилки.
„Едно от нещата, които ми харесват най-многов моята област е изключително внимание към детайлите и колко дълбоко трябва да разберете всеки аспект от експеримента си, за да направите надеждно измерване “, каза Лия Браусар, ядрен физик от ORNL.
В NIST, Hoogerheide, Green и други ученипровеждат нов експеримент с лъч, който изследва всеки възможен проблем възможно най-пълно. За съжаление, всяка настройка за всеки експеримент засяга последващите резултати, така че тази работа се основава на системата „две стъпки напред, една стъпка назад“.
Друга работа е насочена към намиране на нови начини за измерване на живота на неутрон.
Изследователи от университета Джон Хопкинс иУниверситетът в Дърам, Великобритания, с подкрепата на Министерството на енергетиката на САЩ измисли как да използва данните на НАСА за измерване на живота на неутроните. Въз основа на неутроните, излъчвани от Венера и Меркурий, те изчисляват живота на 780 секунди с грешка от 130 секунди. Но тъй като събирането на данни не е предназначено за тази цел, несигурността е твърде висока, за да се определи разлика в живота на частиците. Джауен Танг, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос, организира експеримент, който е нещо средно между експерименти с бутилки и лъчи. Вместо да измерва протони в края, той ще измерва електрони.
Изцяло нов подход. Но изглежда всички други опции са се изчерпали?
Или не?
Нови теории. От радикални идеи до научна фантастика
Разбира се, винаги има възможност разликата в измерванията директно да показва пропуск в нашите знания за тази основна частица - неутронът.
Танг признава, че няма намерение да се отказваексперименти. „Има толкова много примери за хора, които са забелязали нещо необикновено и след това просто са го обвинили в грешката, че не са работили достатъчно усилено.“ И някой друг е работил и е получил Нобелова награда.
Една от теориите за мистерията на живота на неутрона ее, че се унищожава по начини, които учените просто не познават. Той може да се разпадне на частици, различни от познатата комбинация от протон, електрон и антинеутрино. Ако е така, тогава това обяснява защо неутронитеизчезват при експерименти с бутилки,но съответната сумапротоните не се откриват при експерименти с лъчи,
Други идеи са още по-радикални.
Някои теоретици предполагат, че неутронитеразпадане на гама лъчи и мистериозна тъмна материя. Тъмната материя съставлява 75% от материята във Вселената, но доколкото учените знаят, тя взаимодейства с обикновената материя само чрез гравитацията. За да проверят тази теория, група учени от LANL проведоха версия на експеримента с бутилката, в която измерваха неутрони и гама лъчи. Но предложените гама лъчи не са се осъществили и учените нямат доказателства за появата на тъмна материя от неутрони.
Огледалната материя е друга възможнаконцепция, която звучи като научна фантастика. Теоретично "липсващите" неутрони могат да се превърнат в огледални неутрони, а именно точни копия, които съществуват в противоположната Вселена. Развивайки се по различен начин от нашата Вселена, тази огледална Вселена би била много по-студена и в нея щеше да преобладава хелият. Докато някои ядрени учени като Грийн смятат, че това е „неправдоподобно“, други се интересуват от тестване на теорията, просто „за всеки случай“.
„Това е сравнително неизследвана територия.Това звучи много привлекателно за мен, защото имам страхотен източник на неутрони в задния си двор,” каза Лия Брусард, имайки предвид Spallation Neutron Source и High Flux Isotope Reactor, и двата собственост на ORNL на Министерството на енергетиката.
От ляво на дясно:Сътрудниците на ORNL Матю Фрост и Лия Браусар работят върху рефлектометър с магнетизъм в източник на делене на неутрон, който се използва за търсене на огледални неутрони. Кредит: Национална лаборатория Genevieve Martin / Oak Ridge, Министерство на енергетиката на САЩ.
За да тества тази теория, Broussard анализираданни от процес, който симулира експеримент за цял живот на лъча, но е настроен да улавя сигнатурата на потенциален невидим партньор на неутрон. Чрез изстрелване на лъч неутрони през специфично магнитно поле и след това спирането му с материал, който спира нормалните неутрони, тя и нейните колеги може да успеят да определят дали съществуват огледални неутрони.
Каквито и резултати да доведе до товаексперимент, работата за определяне на живота на неутрона ще продължи. „Много е важно, че има толкова много опити за точно измерване на живота на един неутрон. Това говори за силно емоционалната реакция на учените към несъответствието в тази област – „Искам най-накрая да разбера!“, заключава Брусар. "Всеки учен е мотивиран от желанието да учи, желанието да разбере."
Прочетете също
На застрашителния Земен астероид Апофис забеляза опасно явление. Какво се случва?
Учените са открили защо децата са най-опасните носители на COVID-19
Това, което откри Соларната сонда на Паркър, когато летеше възможно най-близо до Слънцето