Mysteriet med neutronens liv
Neutronen er en af stoffets byggesten. Selve navnet antyder
Men hvor lang tid det tager for en neutron at "falde fra hinanden" forbliver et mysterium. Og her er hvorfor.
En metode til at måle målingen giver et resultat på 887,7 sekunder, plus eller minus 2,2 sekunder.
En anden metode viser 878,5 sekunder, plus eller minus 0,8 sekunder.
Her er de, de samme ni sekunder, der forvirrer forskere.
Først så det ud til, at denne forskel skyldtesmålefølsomhed. En perfekt gyldig teori. Men forskere fortsætter med at udføre en række stadig mere nøjagtige eksperimenter, og den snigende uoverensstemmelse er stadig.
Denne sammenhæng i dataforskel indikerer tydeligttil en ukendt type fysik, er forskerne sikre på. Dette kan indikere en hidtil ukendt neutronnedbrydningsproces. Eller en sådan grundlæggende uoverensstemmelse kunne pege på videnskab ud over den standardmodel, som videnskabsmænd i øjeblikket bruger til at forklare hele partikelfysikken. Der er trods alt en række fænomener, som Standardmodellen ikke helt forklarer.
Faktisk er det ikke en teori om alt, dabeskriver ikke mørkt stof, mørk energi og inkluderer ikke tyngdekraften. Imidlertid fuldendte eksperimentel bekræftelse af eksistensen af mellemvektorbosoner i midten af 80'erne konstruktionen af standardmodellen og dens accept som den vigtigste.
Og alligevel behovet for at udvide modellenopstod i 2002 efter opdagelsen af neutrino-svingninger. Forresten var det bekræftelsen af eksistensen af Higgs-bosonen i 2012, der afsluttede den eksperimentelle påvisning af elementære partikler forudsagt af standardmodellen.
For at løse den mærkelige uoverensstemmelse ineutronlevetid U.S. Department of Energy's (DOE) Office of Science arbejder sammen med andre føderale agenturer, nationale laboratorier og universiteter.
Hvorfor studere neutronen?
Kernefysikere var de første til at studere tidneutronens liv på grund af dets vigtige rolle i fysik. ”Der er nogle grundlæggende størrelser i naturen, der altid er vigtige,” forklarer Jeff Green, professor ved University of Tennessee og fysiker ved Oak Ridge National Laboratory under Department of Energy. Han studerede neutronlevetiden det meste af sit liv - omkring 40 år. "Teorier kommer og går, men neutronens levetid forbliver central i mange processer."
Faktisk er neutronen en nyttig guide tilforståelse af andre partikler. Dette er den enkleste radioaktive partikel, derfor henfalder den regelmæssigt til andre partikler. Det er således neutronen, der giver forskerne en god idé om den svage kraft. Den kraft, der bestemmer, om neutroner bliver til protoner. Ofte frigiver denne proces energi og får kernerne til at henfalde. Svage interaktionsprocesser spiller også en vigtig rolle i nuklear fusion, hvor to protoner kombineres.
Neutronens levetid kan også give forskere en idé om, hvad der skete umiddelbart efter Big Bang. Fristende, er det ikke?
Neutronstjerneeksplosionsillustration
Bare sekunder efter uddannelseprotoner og neutroner, men før de kombineredes til elementer, begyndte tiden. Universet afkøledes hurtigt. På et tidspunkt afkøledes det så meget, at protoner og neutroner kombinerede næsten øjeblikkeligt for at danne helium og brint. Hvis neutroner henfaldt til protoner lidt hurtigere eller langsommere, ville dette have en enorm indflydelse på hele universets proces. Universet ville have en meget anden balance mellem elementer; det er sandsynligt, at selve livet slet ikke ville eksistere.
Forskere håber at få et encifret tal tildefinition af neutronens levetid, så den kunne inkluderes i forskellige ligninger, der beskriver universet. Usikkerheden om neutronens levetid er acceptabel, men når den er mindre end et sekund. At få sikkerhed på kun et nummer viste sig imidlertid at være vanskeligere end fysikerne forventede.
Neutronens levetid er en af de mindst kendte grundlæggende parametre i standardmodellen.
Zhaouen Tang er fysiker ved det amerikanske energiministeriums Los Alamos National Laboratory (LANL).
Ja, selvfølgelig forskellige individuelleeksperimenter var i stand til at opnå det krævede nøjagtighedsniveau. Men inkonsekvensen mellem de forskellige typer eksperimenter forhindrer forskere i at bestemme et specifikt neutronlevetid.
Hvordan dataoverensstemmelsen blev opdaget
At finde ud af, at der er nogenforskellen i data opstod fra fysikernes ønske om at give svar på alle spørgsmål om universet. Brug af to eller flere metoder til at måle den samme mængde er den bedste måde at sikre nøjagtig måling. Men forskere kan ikke indstille timere på neutroner for at se, hvor hurtigt de henfalder. I stedet finder de måder at måle neutroner før og efter de henfalder for at beregne deres levetid.
Og dette er hovedproblemet.
Når fysikere ripper neutroner fra atomkerner,læg dem i en flaske og tæl, hvor mange neutroner der forbliver i den efter et stykke tid, de antager, at neutroner gennemgår radioaktivt henfald i gennemsnit efter 14 minutter og 39 sekunder. Men når andre fysikere opretter stråler af neutroner og tæller antallet af protoner, der vises - partikler, der er forfaldsprodukter af frie neutroner - får de en gennemsnitlig levetid på ca. 14 minutter og 48 sekunder.
Forskellen mellem målingerne af "flasken" og "strålen" vedvarer stadig.
Uoverensstemmelser mellem målingerne i "flasken" og"Strålen" har eksisteret siden de dage, hvor metoder til beregning af neutronlevetiden begyndte at give resultater i 1990'erne. Først var alle målinger så unøjagtige, at ingen var bekymrede for det. Men efterhånden forbedrede begge metoder sig og var stadig forskellige i skøn.
I bjælkeeksperimenter anvendes maskinersom skaber strømme af neutroner. Forskere måler antallet af neutroner i et bestemt volumen af strålen. De dirigerer derefter strømmen gennem magnetfeltet ind i en partikelfælde dannet af de elektriske og magnetiske felter. Neutronerne henfalder i en fælde, hvor fysikere måler mængden af protoner, der er tilbage.
Protondetektor ved National Institute of Standards and Technology, anvendt i strålemetoden.
Tværtimod fanger flaskeeksperimenterultrakolde neutroner i en container. Ultrakolde neutroner bevæger sig meget langsommere end normale neutroner - et par meter i sekundet sammenlignet med 10 millioner meter i sekundet fra fissionsreaktioner. Forskere måler, hvor mange neutroner der er i beholderen først og derefter igen efter en bestemt periode. Ved at studere forskellen kan de beregne, hvor hurtigt neutronerne henfaldt.
Eksperiment ved UNCtau i Los Alamos ved hjælp af flaskemetoden til at måle neutronens levetid
”I flaskeeksperimentet måler de"Overlevende" er "døde" i et strålingseksperiment," forklarer Green. “Flaskeeksperimentet lyder nemt, men er faktisk meget svært. På den anden side lyder eksperimentet med stråler kompliceret, og i virkeligheden er det også svært at gennemføre.”
Green og hans samarbejdspartnere udførte nye målinger i2013 på NIST, som hjalp dem med at genberegne endnu mere nøjagtigt et stråleeksperiment, de udførte i det samme laboratorium i 2005. På dette tidspunkt har forskerne gennemført fem flaskeeksperimenter og to med klaser. Green var overbevist om, at tidligere stråleforsøg manglede en af de største kilder til usikkerhed. Nemlig en nøjagtig optælling af antallet af neutroner i strålen. Fysikere har forbedret deres målinger af denne variabel for at gøre dem fem gange mere nøjagtige. Men otte års hårdt arbejde efterlod dem ingenting. Mere præcist med samme resultatforskel.
Forskere, der arbejder på eksperimenter medflasker, stod over for deres egne vanskeligheder. En af de største måleudfordringer var at forhindre tab af neutroner, når de interagerede med det materiale, som beholderen er fremstillet af. Lækagen ændrer antallet af neutroner i slutningen af henfaldet og forstyrrer beregningerne.
For at løse dette problem, i den sidsteLANLs flaskeeksperiment, som blev støttet af det amerikanske videnskabsministerium, eliminerede fysiske vægge. I stedet brugte kernefysikere magnetfelter og tyngdekraft til at holde neutronerne på plads.
”Jeg var overbevist om, at hvis vi gjorde dette, gjorde vi detvi kan få neutronen til at leve længere og være enig med neutronens levetid som et resultat af stråleeksperimenterne, ”sagde Chen-Yu Liu, en kvindelig professor ved Indiana University, der ledede eksperimentet. "Det var min personlige bias."
Men forskellen forbliver.”Det var et stort chok for mig,” indrømmede hun senere og beskrev resultaterne, der blev offentliggjort i 2018. Chancen for, at forskellen skyldes tilfældighed, er mindre end en ud af 10.000, men det kan stadig skyldes eksperimentel fejl.
Hvorfor opstår fejlen?
Forskere konfronteres med to typerusikkerhed eller fejl i eksperimenter: statistisk eller systematisk. Statistiske fejl skyldes utilstrækkelige data. Dette tillader os ikke at drage faste konklusioner. At få store data reducerer fejl.
Systematiske fejl er grundlæggendeusikkerheden ved eksperimentet. Forresten er de ofte ikke indlysende. De to typer neutronlevetidsexperimenter har helt forskellige potentielle systematiske fejl. Hvis resultaterne var de samme, ville eksperimenterne være en fremragende test af hinanden. Men det sker ikke.
"Det sværeste ved måling af neutronens levetid”Det er, at det både er for kort og for langt,” siger Hoogerheide. "Det viser sig, at 15 minutter er en virkelig ubelejlig tid at måle i fysik."
Derfor arbejder atomforskere fortsat med at indsamle yderligere data og minimere systematiske fejl.
Lodret - neutronlevetid i sekunder. Rød markerer resultaterne af eksperimenter med stråler, blå - med flasker.
”En af de ting, jeg kan lide mesti mit felt er det ekstraordinær opmærksomhed på detaljer, og hvor dybt du skal forstå ethvert aspekt af dit eksperiment for at foretage en pålidelig måling, ”sagde Leah Broussard, atomfysiker ved ORNL.
Hos NIST, Hoogerheide, Green og andre videnskabsmændudfører et nyt stråleeksperiment, der udforsker alle mulige problemer så fuldt ud som muligt. Desværre påvirker hver indstilling for hvert eksperiment efterfølgende resultater, så dette arbejde er baseret på et "to skridt frem, et skridt tilbage"-system.
Andet arbejde er rettet mod at finde nye måder at måle en neutrons levetid på.
Forskere fra Johns Hopkins University ogDurham University, UK, med støtte fra US Department of Energy, fandt ud af, hvordan man bruger NASA-data til at måle neutronens levetid. Baseret på neutroner fra Venus og Mercury beregnet de en levetid på 780 sekunder med en fejl på 130 sekunder. Men da dataindsamling ikke er beregnet til dette formål, er usikkerheden for høj til at bestemme en forskel i partikellevetid. Zhaouen Tang, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory, opretter et eksperiment, der er et kryds mellem flaske- og bjælkeeksperimenter. I stedet for at måle protoner i slutningen måler den elektroner.
En helt ny tilgang. Men det ser ud til, at alle andre muligheder er opbrugt?
Eller ikke?
Nye teorier. Fra radikale ideer til science fiction
Selvfølgelig er der altid muligheden for, at forskellen i målinger direkte indikerer et hul i vores viden om denne grundlæggende partikel - neutronen.
Tang indrømmer, at han ikke har planer om at holde opeksperimenter. "Der er så mange eksempler på mennesker, der har observeret noget ekstraordinært og derefter blot beskyldt det på fejlen ved ikke at arbejde hårdt nok." Og en anden arbejdede og modtog Nobelprisen."
En teori for mysteriet om neutronens liv erer, at det ødelægges på måder, som forskerne simpelthen ikke kender. Det kan henfalde til partikler anderledes end den velkendte kombination af proton, elektron og antineutrino. Hvis ja, så forklarer dette hvorfor neutronerforsvinde i flaskeeksperimenter,men det tilsvarende beløbprotoner detekteres ikke i stråleeksperimenter.
Andre ideer er endnu mere radikale.
Nogle teoretikere antyder, at neutronerhenfald til gammastråler og mystisk mørkt stof. Mørkt stof udgør 75% af stoffet i universet, men så vidt forskere ved, interagerer det kun med almindeligt stof gennem tyngdekraften. For at teste denne teori kørte en gruppe forskere ved LANL en version af flaskeeksperimentet, hvori de målte neutroner og gammastråler. Men de foreslåede gammastråler realiserede sig ikke, og forskere har intet bevis for, at mørkt stof optræder fra neutroner.
Spejlstof er en anden mulighedet koncept, der lyder som science fiction. Teoretisk set kan de "manglende" neutroner blive til spejlneutroner, nemlig til nøjagtige kopier, der findes i det modsatte univers. Ved at udvikle sig anderledes end vores univers ville dette spejlunivers være meget koldere, og helium ville dominere i det. Mens nogle atomforskere som Green mener, det er "usandsynligt", er andre interesserede i at teste teorien, bare "for en sikkerheds skyld."
"Dette er et relativt ukendt territorium.Dette lyder meget attraktivt for mig, fordi jeg har en fantastisk neutronkilde i min baghave,” sagde Leah Broussard med henvisning til Spallation Neutron Source og High Flux Isotope Reactor, begge ejet af Department of Energy's Office of Science.
Fra venstre mod højre:ORNL-samarbejdspartnere Matthew Frost og Leah Broussard arbejder på et magnetismereflektometer i en fissionneutronkilde, der bruges til at søge efter spekulære neutroner. Kredit: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy.
For at teste denne teori analyserer Broussarddata fra en proces, der simulerer et strålelevetidsexperiment, men er indstillet til at fange signaturen for en potentiel usynlig neutronpartner. Ved at starte en stråle af neutroner gennem et specifikt magnetfelt og derefter stoppe den med et materiale, der stopper normale neutroner, kan hun og hendes kolleger muligvis bestemme, om der findes spejlneutroner.
Uanset hvilke resultater medførte detteforsøg, vil arbejdet med at bestemme neutronens levetid fortsætte. "Det er meget vigtigt, at der er så mange forsøg på nøjagtigt at måle en neutrons levetid. Dette taler til videnskabsmænds meget følelsesladede reaktion på inkonsekvensen på dette område – 'Jeg vil endelig finde ud af det!'” afslutter Broussard. "Enhver videnskabsmand er motiveret af ønsket om at lære, ønsket om at forstå."
Læs også
På den truende jord asteroide Apophis bemærkede et farligt fænomen. Hvad sker der?
Forskere har fundet ud af, hvorfor børn er de farligste bærere af COVID-19
Hvad Parker Solar Probe opdagede, da den fløj så tæt på solen som muligt