Tajemství života neutronu
Neutron je jedním ze stavebních kamenů hmoty.
Ale jak dlouho trvá, než se neutron „rozpadne“, zůstává záhadou. A zde je důvod.
Jedna metoda měření poskytuje výsledek 887,7 sekundy plus minus 2,2 sekundy.
Další metoda ukazuje 878,5 sekundy, plus nebo minus 0,8 sekundy.
Tady jsou, stejných devět sekund, které matou vědce.
Zpočátku se zdálo, že tento rozdíl byl způsobencitlivost měření. Dokonale platná teorie. Vědci však nadále provádějí řadu stále přesnějších experimentů a zákeřný rozpor stále přetrvává.
Tato konzistence v rozdílech dat jasně ukazujena nějaký neznámý typ fyziky, vědci jsou si jisti. To může naznačovat dosud neznámý proces rozpadu neutronů. Nebo by takový zásadní rozpor mohl ukazovat na vědu nad rámec standardního modelu, který vědci v současnosti používají k vysvětlení celé částicové fyziky. Ostatně existuje řada jevů, které Standardní model plně nevysvětluje.
Ve skutečnosti to není teorie všeho, protoženepopisuje temnou hmotu, temnou energii a nezahrnuje gravitaci. Experimentální potvrzení existence intermediárních vektorových bosonů v polovině 80. let však dokončilo konstrukci Standardního modelu a jeho přijetí jako hlavního.
A přesto je třeba rozšířit modelvznikl v roce 2002 po objevu neutrinových oscilací. Mimochodem, bylo to potvrzení existence Higgsova bosonu v roce 2012, které dokončilo experimentální detekci elementárních částic předpovězených standardním modelem.
K vyřešení podivného rozporu vživotnost neutronů Úřad vědy amerického ministerstva energetiky (DOE) spolupracuje s dalšími federálními agenturami, národními laboratořemi a univerzitami.
Proč studovat neutron?
První studovali čas jaderní fyziciživot neutronu kvůli jeho důležité roli ve fyzice. "V přírodě jsou některá základní množství, která jsou vždy důležitá," vysvětluje Jeff Green, profesor a fyzik z University of Tennessee v Oak Ridge National Laboratory pod katedrou energetiky. Po většinu svého života - asi 40 let - studoval životnost neutronů. „Teorie přicházejí a odcházejí, ale životnost neutronů zůstává ústředním bodem mnoha procesů.“
Ve skutečnosti je neutron užitečným vodítkempochopení jiných částic. Jedná se o nejjednodušší radioaktivní částici, proto se pravidelně rozpadá na jiné částice. Je to tedy neutron, který dává vědcům dobrou představu o slabé síle, která určuje, zda se neutrony změní na protony nebo ne. Tento proces často uvolňuje energii a způsobuje rozpad jader. Slabé interakční procesy hrají důležitou roli i v jaderné fúzi, kde se spojují dva protony.
Životnost neutronů může také dát vědcům představu o tom, co se stalo bezprostředně po Velkém třesku. Lákavé, že?
Neutronová hvězda exploze ilustrace
Jen pár vteřin po vzděláníprotony a neutrony, ale než se spojily do prvků, začal čas. Vesmír se rychle ochladil. V určitém okamžiku se ochladilo natolik, že protony a neutrony se téměř okamžitě spojily a vytvořily helium a vodík. Pokud by se neutrony rozpadly na protony o něco rychleji nebo pomaleji, mělo by to obrovský dopad na celý proces vesmíru. Vesmír by měl velmi odlišnou rovnováhu prvků; je pravděpodobné, že samotný život by vůbec neexistoval.
Vědci doufají, že získají jednociferné číslostanovení životnosti neutronu tak, aby mohl být zahrnut do různých rovnic popisujících vesmír. Nejistota životnosti neutronů je přijatelná, ale pokud je kratší než jedna sekunda. Získání jistoty pouze u jednoho čísla se však ukázalo být obtížnějším, než fyzici předpokládali.
Životnost neutronů je jedním z nejméně známých základních parametrů standardního modelu.
Zhaouen Tang je fyzik v Los Alamos National Laboratory (LANL) Ministerstva energetiky USA.
Ano, samozřejmě, různé individuálníexperimenty dokázaly dosáhnout požadované úrovně přesnosti. Avšak nekonzistence mezi různými typy experimentů brání vědcům určit konkrétní číslo života neutronů.
Jak byla zjištěna nekonzistence dat
Zjištění, že nějaké existujírozdíl v datech vznikl z touhy fyziků poskytnout odpovědi na všechny otázky o vesmíru. Nejlepší metodou k zajištění přesného měření je použití dvou nebo více metod k měření stejného množství. Vědci však nemohou nastavit časovače na neutrony, aby zjistili, jak rychle se rozpadají. Místo toho najdou způsoby, jak měřit neutrony před a po rozpadu a vypočítat jejich životnost.
A to je hlavní problém.
Když fyzici vytrhnou neutrony z atomových jader,vloží je do láhve a spočítají, kolik neutronů v ní po nějaké době zůstane, předpokládají, že neutrony procházejí radioaktivním rozpadem v průměru po 14 minutách a 39 sekundách. Ale když ostatní fyzici vytvoří paprsky neutronů a spočítají počet protonů, které se objeví - částice, které jsou produkty rozpadu volných neutronů - skončí s průměrnou životností asi 14 minut 48 sekund.
Rozpor mezi měřením „láhve“ a „paprsku“ přetrvává dodnes.
Nesrovnalosti mezi měřeními ve "láhvi" a„Paprsek“ existuje již od dob, kdy metody výpočtu životnosti neutronů začaly přinášet výsledky v 90. letech. Zpočátku byla všechna měření tak nepřesná, že se toho nikdo neobával. Postupně se ale obě metody zlepšovaly a stále se lišily v odhadech.
Při experimentech s paprskem se používají strojekteré vytvářejí toky neutronů. Vědci měří počet neutronů v určitém objemu paprsku. Poté směrují tok magnetickým polem do lapače částic vytvořeného elektrickým a magnetickým polem. Neutrony se rozpadají v pasti, kde fyzici měří množství protonů, které po sobě zůstaly.
Protonový detektor v Národním ústavu pro standardy a technologii, používaný v paprskové metodě.
Experimenty s lahvemi se naopak chytajíultrachladné neutrony v kontejneru. Ultrachladné neutrony cestují mnohem pomaleji než normální neutrony - několik metrů za sekundu, ve srovnání s 10 miliony metrů za sekundu z štěpných reakcí. Vědci měří, kolik neutronů je v nádobě nejprve a potom po určité době znovu. Studiem rozdílu mohou vypočítat, jak rychle se neutrony rozpadly.
Experimentujte v UNCtau v Los Alamos pomocí metody lahve k měření životnosti neutronů
„V experimentu s lahví měří„Přeživší“ jsou „mrtví“ v radiačním experimentu,“ vysvětluje Green. „Experiment s lahví zní jednoduše, ale ve skutečnosti je velmi obtížný. Na druhou stranu experiment s paprsky zní složitě a ve skutečnosti je také obtížně proveditelný.“
Green a jeho spolupracovníci provedli nová měření v2013 v NIST, což jim pomohlo ještě přesněji přepočítat experiment s paprskem, který provedli ve stejné laboratoři v roce 2005. V tuto chvíli vědci dokončili pět experimentů s lahvemi a dva s trsy. Green byl přesvědčen, že předchozí experimenty s paprsky postrádaly jeden z největších zdrojů nejistoty. Konkrétně přesný počet neutronů v paprsku. Fyzici vylepšili svá měření této proměnné, aby byla pětkrát přesnější. Osm let tvrdé práce jim ale nezanechalo nic. Přesněji se stejným odstupem ve výsledcích.
Vědci pracující na experimentech slahví, čelili svým vlastním obtížím. Jednou z největších výzev měření bylo zabránit ztrátě neutronů při interakci s materiálem, z něhož je nádoba vyrobena. Únik mění počet neutronů na konci rozpadu a interferuje s výpočty.
Chcete-li tento problém vyřešit, v posledníLANLův experiment s lahví, který byl podporován americkým ministerstvem vědy, odstranil fyzické stěny. Místo toho použili jaderní fyzici magnetická pole a gravitaci k udržení neutronů na místě.
"Byl jsem přesvědčen, že když to uděláme, my."můžeme neutrony nechat žít déle a souhlasit s životností neutronů jako výsledek experimentů s paprsky, “uvedla Chen-Yu Liu, profesorka na Indiana University, která experiment vedla. „To byla moje osobní zaujatost.“
Rozdíl však zůstává."Byl to pro mě velký šok," připustila později a popsala výsledky zveřejněné v roce 2018. Pravděpodobnost, že rozdíl bude způsoben shodou náhod, je menší než jedna z 10 000. Mohlo by to však stále být způsobeno experimentální chybou.
Proč k chybě došlo?
Vědci jsou konfrontováni se dvěma typynejistoty nebo chyby v experimentech: statistické nebo systematické. Statistické chyby vznikají z nedostatečných údajů. To nám neumožňuje činit pevné závěry. Získávání velkých dat snižuje chyby.
Systematické chyby jsou zásadnínejistota experimentu. Mimochodem, často to není zřejmé. Tyto dva typy experimentů s životností neutronů mají zcela odlišné potenciální systematické chyby. Pokud by byly výsledky stejné, byly by experimenty navzájem vynikajícím testem. Ale to se neděje.
„Nejtěžší věc při měření životnosti neutronůJe to příliš krátké a příliš dlouhé, “říká Hoogerheide. „Ukázalo se, že 15 minut je opravdu nevhodný čas na měření ve fyzice.“
Proto jaderní vědci nadále pracují na shromažďování dalších údajů a minimalizaci systematických chyb.
Vertikální - životnost neutronů v sekundách. Červená označuje výsledky experimentů s paprsky, modrá - s lahvemi.
"Jedna z věcí, která se mi líbí nejvíc."v mém oboru je to výjimečná pozornost věnovaná detailům a tomu, jak hluboce musíte rozumět všem aspektům svého experimentu, abyste mohli provést spolehlivé měření, “říká Leah Broussard, jaderná fyzička z ORNL.
U NIST, Hoogerheide, Greena a dalších vědcůprovádějí nový experiment s paprskem, který co nejúplněji prozkoumá každý možný problém. Bohužel každé nastavení každého experimentu ovlivňuje následné výsledky, takže tato práce je založena na systému „dva kroky vpřed, jeden krok zpět“.
Další práce je zaměřena na hledání nových způsobů měření životnosti neutronu.
Vědci z Johns Hopkins University aUniverzita Durham ve Velké Británii s podporou amerického ministerstva energetiky přišla na to, jak využít data NASA k měření životnosti neutronů. Na základě neutronů vyzařujících z Venuše a Merkuru vypočítali životnost 780 sekund s chybou 130 sekund. Ale protože sběr dat není určen pro tento účel, nejistota je příliš vysoká na to, aby určila rozdíl v životnosti částic. Zhaouen Tang, fyzik z Národní laboratoře v Los Alamos, připravuje experiment, který je křížencem experimentů s lahvemi a paprsky. Namísto měření protonů na konci bude měřit elektrony.
Zcela nový přístup. Ale vypadá to, že se všechny ostatní možnosti vyčerpaly?
Nebo ne?
Nové teorie. Od radikálních myšlenek ke sci-fi
Samozřejmě vždy existuje možnost, že rozdíl v měření přímo naznačuje mezeru v našich znalostech o této základní částice - neutronu.
Tang přiznává, že nemá v plánu skončitexperimenty. "Existuje tolik příkladů lidí, kteří pozorovali něco mimořádného a pak to jednoduše obvinili z chyby, že nepracovali dostatečně tvrdě." A někdo jiný pracoval a dostal Nobelovu cenu.“
Jedna teorie pro záhadu života neutronu jespočívá v tom, že se ničí způsoby, které vědci prostě neznají. Může se rozpadnout na částice odlišné od známé kombinace protonu, elektronu a antineutrina. Pokud ano, pak to vysvětluje, proč neutronyzmizí v experimentech s lahvemi,ale odpovídající částkuprotony nebyly detekovány v experimentech s paprskem.
Jiné myšlenky jsou ještě radikálnější.
Někteří teoretici naznačují, že neutronyrozpadají se na paprsky gama a tajemnou temnou hmotu. Temná hmota tvoří 75% hmoty ve vesmíru, ale pokud vědci vědí, interaguje s běžnou hmotou pouze gravitací. K otestování této teorie provedla skupina vědců v LANL verzi experimentu s lahví, ve kterém měřili neutrony a gama paprsky. Navrhované gama paprsky se ale neuskutečnily a vědci nemají žádné důkazy o výskytu temné hmoty z neutronů.
Další možností je zrcadlová záležitostkoncept, který zní jako sci-fi. Teoreticky se „chybějící“ neutrony mohou proměnit v zrcadlové neutrony, konkrétně v přesné kopie, které existují v opačném Vesmíru. Tento zrcadlový vesmír by se vyvíjel jinak než náš vesmír, byl by mnohem chladnější a převládalo by v něm helium. Zatímco někteří jaderní vědci jako Green si myslí, že je to "nepravděpodobné", jiní se zajímají o testování teorie, jen "pro každý případ".
„Toto je relativně neprobádané území.To mi zní velmi lákavě, protože mám na svém dvorku skvělý zdroj neutronů,“ řekla Leah Broussard s odkazem na zdroj neutronů Spallation a reaktor s vysokým tokem izotopů, které oba vlastní Úřad pro vědu ministerstva energetiky ORNL.
Zleva doprava:Spolupracovníci ORNL Matthew Frost a Leah Broussard pracují na magnetometrickém reflektometru ve štěpném neutronovém zdroji, který se používá k hledání zrcadlových neutronů. Uznání: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy.
Pro otestování této teorie Broussard analyzujedata z procesu, který simuluje experiment s životností paprsku, ale je vyladěn tak, aby zachytil podpis potenciálního neviditelného neutronového partnera. Vypuštěním paprsku neutronů specifickým magnetickým polem a jeho zastavením materiálem, který zastaví normální neutrony, může ona a její kolegové zjistit, zda existují zrcadlové neutrony.
Ať už výsledky toto přineslyexperiment, práce na určení doby života neutronů budou pokračovat. "Je velmi významné, že existuje tolik pokusů o přesné měření doby života neutronu." To vypovídá o vysoce emotivní reakci vědců na nekonzistentnost v této oblasti – ‚Chci to konečně zjistit!‘,“ uzavírá Broussard. "Každý vědec je motivován touhou učit se, touhou porozumět."
Přečtěte si také
Na hrozivém asteroidu Země si Apophis všiml nebezpečného jevu. Co se děje?
Vědci zjistili, proč jsou děti nejnebezpečnějšími nositeli COVID-19
Co objevila Parkerova sluneční sonda, když letěla co nejblíže ke Slunci