Das Geheimnis des Lebens des Neutrons
Das Neutron ist einer der Bausteine der Materie.
Doch wie lange es dauert, bis ein Neutron "zerfällt ", bleibt ein Rätsel. warum.
Eine Methode misst, die Messung liefert das ErgebnisBei 887,7 Sekunden 2,2 Sekunden mehr oder weniger.
Eine andere Methode zeigt 878,5 Sekunden plus oder minus 0,8 Sekunden.
Hier sind sie, dieselben neun Sekunden, die Wissenschaftler verwirren.
Zuerst schien es, dass dieser Unterschied darauf zurückzuführen warMessempfindlichkeit. Eine vollkommen gültige Theorie. Die Wissenschaftler führen jedoch weiterhin eine Reihe immer genauerer Experimente durch, und die heimtückische Diskrepanz bleibt bestehen.
Eine solche Konstanz in der Differenz der Daten deutet eindeutig auf eine unbekannte Art von Physik hin, da sind sich die Wissenschaftler sicher.Dies könnte auf einen bisher unbekannten Prozess des Neutronenzerfalls hindeuten.Oder eine solche fundamentale Diskrepanz kann auf eine Wissenschaft hindeuten, die über das derzeit verwendete Standardmodell hinausgehtSchließlich gibt es eine Reihe von Phänomenen, die das Standardmodell nicht erklärtvollständig.
In der Tat ist es keine Theorie von allem, da es nicht beschreibtDunkle Materie, Dunkle Energie und schließt die Gravitation nicht mit ein.Die experimentelle Bestätigung der Existenz von intermediären Vektorbosonen Mitte der 1980er Jahre vervollständigte jedoch die Konstruktion des Standardmodells und seine Akzeptanz als Hauptmodell.
Und doch die Notwendigkeit, das Modell zu erweiternentstand im Jahr 2002 nach der Entdeckung von Neutrino-Oszillationen. Übrigens war es die Bestätigung der Existenz des Higgs-Bosons im Jahr 2012, die den experimentellen Nachweis von Elementarteilchen vervollständigte, der vom Standardmodell vorhergesagt wurde.
Um die seltsame Diskrepanz in der Lebensdauer von Neutronen zu enträtseln, arbeitet das Office of Science (DOE) des US-Energieministeriumsmit anderen Bundesbehörden, nationalen Laboratorien und Universitäten.
Warum das Neutron studieren?
Kernphysiker waren die ersten, die Zeit studiertendas Leben des Neutrons aufgrund seiner wichtigen Rolle in der Physik. "Es gibt einige grundlegende Größen in der Natur, die immer wichtig sind", erklärt Jeff Green, Professor und Physiker an der Universität von Tennessee am Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy. Er studierte die meiste Zeit seines Lebens die Neutronenlebensdauer - ungefähr 40 Jahre. "Theorien kommen und gehen, aber die Neutronenlebensdauer bleibt für viele Prozesse von zentraler Bedeutung."
Tatsächlich ist das Neutron ein nützlicher Wegweiser, um andere Teilchen zu verstehen.Es ist das einfachste radioaktive Teilchen, daher zerfällt es regelmäßig in andere Teilchen.Es ist also das Neutron, das den Wissenschaftlern eine gute Vorstellung von der schwachen Wechselwirkung gibt, also der Kraft, die bestimmt, ob sich Neutronen in Protonen verwandeln oder nicht.Oft setzt dieser Prozess Energie frei und verursachtSchwache Wechselwirkungsprozesse spielen auch bei der Kernfusion eine wichtige Rolle, bei der sich zwei Protonen verbinden.
Die Neutronenlebensdauer kann Wissenschaftlern auch eine Vorstellung davon geben, was unmittelbar nach dem Urknall passiert ist. Verlockend, nicht wahr?
Illustration der Neutronenstern-Explosion
Nur Sekunden nach der AusbildungProtonen und Neutronen, aber bevor sie sich zu Elementen vereinigten, begann die Zeit. Das Universum kühlte sich schnell ab. Irgendwann kühlte es so stark ab, dass sich Protonen und Neutronen fast augenblicklich zu Helium und Wasserstoff verbanden. Wenn Neutronen etwas schneller oder langsamer in Protonen zerfallen würden, hätte dies einen enormen Einfluss auf den gesamten Prozess des Universums. Das Universum hätte ein ganz anderes Gleichgewicht der Elemente; Es ist wahrscheinlich, dass das Leben selbst überhaupt nicht existieren würde.
Wissenschaftler hoffen, eine einstellige Nummer für zu bekommenBestimmung der Neutronenlebensdauer, damit sie in verschiedene Gleichungen aufgenommen werden kann, die das Universum beschreiben. Die Unsicherheit der Neutronenlebensdauer ist akzeptabel, jedoch wenn sie weniger als eine Sekunde beträgt. Es erwies sich jedoch als schwieriger, die Sicherheit nur für eine Zahl zu erlangen, als die Physiker erwartet hatten.
Die Neutronenlebensdauer ist einer der am wenigsten bekannten Grundparameter des Standardmodells.
Zhaouen Tang ist Physiker am Los Alamos National Laboratory (LANL) des US-Energieministeriums.
Ja, natürlich verschiedene PersonenExperimente konnten die erforderliche Genauigkeit erreichen. Die Inkonsistenz zwischen verschiedenen Arten von Experimenten hindert Wissenschaftler jedoch daran, eine bestimmte Neutronenlebensdauer zu bestimmen.
Wie die Dateninkonsistenz entdeckt wurde
Herausfinden, dass es welche gibtDer Unterschied in den Daten ergab sich aus dem Wunsch der Physiker, Antworten auf alle Fragen zum Universum zu geben. Die Verwendung von zwei oder mehr Methoden zur Messung derselben Menge ist der beste Weg, um eine genaue Messung sicherzustellen. Wissenschaftler können jedoch keine Timer für Neutronen einstellen, um zu sehen, wie schnell sie zerfallen. Stattdessen finden sie Möglichkeiten, Neutronen vor und nach dem Zerfall zu messen, um ihre Lebensdauer zu berechnen.
Und das ist das Hauptproblem.
Wenn Physiker Neutronen aus Atomkernen reißen,Sie füllen sie in eine Flasche und zählen, wie viele Neutronen nach einiger Zeit noch in der Flasche verbleiben. Sie gehen davon aus, dass Neutronen nach 14 Minuten und 39 Sekunden durchschnittlich radioaktiv zerfallen. Wenn andere Physiker jedoch Neutronenstrahlen erzeugen und die Anzahl der auftretenden Protonen zählen - Teilchen, die die Zerfallsprodukte freier Neutronen sind - erhalten sie eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 14 Minuten 48 Sekunden.
Die Diskrepanz zwischen den Messungen der "Flasche" und des "Strahls" bleibt bestehen.
Abweichungen zwischen den Messungen in der "Flasche" undDer "Strahl" gibt es seit den Tagen, als Methoden zur Berechnung der Neutronenlebensdauer in den 1990er Jahren zu Ergebnissen führten. Anfangs waren alle Messungen so ungenau, dass sich niemand Sorgen machte. Aber nach und nach verbesserten sich beide Methoden und unterschieden sich immer noch in ihren Schätzungen.
In Strahlversuchen werden Maschinen eingesetztdie Neutronenflüsse erzeugen. Wissenschaftler messen die Anzahl der Neutronen in einem bestimmten Volumen des Strahls. Sie leiten dann den Fluss durch das Magnetfeld in eine Partikelfalle, die durch die elektrischen und magnetischen Felder erzeugt wird. Neutronen zerfallen in einer Falle, in der Physiker die Menge der zurückgebliebenen Protonen messen.
Protonendetektor am National Institute of Standards and Technology, verwendet in der Strahlmethode.
Im Gegenteil, Flaschenversuche fangen anultrakalte Neutronen in einem Behälter. Ultrakalte Neutronen bewegen sich viel langsamer als normale Neutronen - einige Meter pro Sekunde im Vergleich zu 10 Millionen Metern pro Sekunde aufgrund von Spaltreaktionen. Wissenschaftler messen, wie viele Neutronen sich zuerst im Behälter befinden und dann nach einer bestimmten Zeit wieder. Indem sie den Unterschied untersuchen, können sie berechnen, wie schnell die Neutronen zerfallen sind.
Experimentieren Sie am UNCtau in Los Alamos mit der Flaschenmethode, um die Neutronenlebensdauer zu messen
"Im Flaschenexperiment werden die 'Überlebenden' gemessen, im Strahlenexperiment die 'Toten' ", erklärt Green. ExperimentMit einer Flasche hört sich einfach an, ist es aber tatsächlich sehr schwierig. Das hört sich mit Strahlen schwierig an, und in der Praxis ist es auch schwierig, es durchzuführen."
Green und seine Mitarbeiter führten 2013 neue Messungen am NIST durch, die ihnen halfen, das Experiment noch genauer zu berechnenStrahl, den sie 2005 im selben Labor durchführten.Zu diesem Zeitpunkt hatten die Wissenschaftler fünf Experimente mit der Flasche und zwei mit den Strahlen abgeschlossen.Green war überzeugt, dass frühere Experimente mit dem Strahl eine der größten Unsicherheitsquellen übersehen hatten.Physiker haben ihre Messungen dieser Variablen verbessert, um sie fünfmal genauer zu machen.Doch nach acht Jahren harter Arbeit standen sie vor dem Nichts.Genauer gesagt, mit der gleichen Ergebnislücke.
Wissenschaftler, die an Experimenten mit arbeitenFlaschen, standen vor ihren eigenen Schwierigkeiten. Eine der größten Herausforderungen bei der Messung bestand darin, den Verlust von Neutronen bei der Wechselwirkung mit dem Material, aus dem der Behälter besteht, zu verhindern. Das Leck verändert die Anzahl der Neutronen am Ende des Zerfalls und stört die Berechnungen.
Um dieses Problem zu lösen, wurden beim jüngsten Flaschenexperiment am LANL, das vom US-Wissenschaftsministerium unterstützt wurde, physische Wände eliminiert.Stattdessen nutzten Kernphysiker Magnetfelder und Schwerkraft, um die Neutronen an Ort und Stelle zu halten.
„Ich war überzeugt, dass wir dies tun, wenn wir das tunWir können das Neutron länger leben lassen und als Ergebnis der Strahlenexperimente mit der Lebensdauer der Neutronen übereinstimmen “, sagte Chen-Yu Liu, eine Professorin an der Indiana University, die das Experiment leitete. "Das war meine persönliche Vorliebe."
Der Unterschied bleibt jedoch bestehen."Es war ein großer Schock für mich", gab sie später zu und beschrieb die Ergebnisse, die 2018 veröffentlicht wurden. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Unterschied auf einen Zufall zurückzuführen ist, beträgt weniger als eins zu 10.000. Dies könnte jedoch immer noch auf einen experimentellen Fehler zurückzuführen sein.
Warum tritt der Fehler auf?
Wissenschaftler sind mit zwei Arten konfrontiertUnsicherheiten oder Fehler in Experimenten: statistisch oder systematisch. Statistische Fehler entstehen durch Datenmangel. Dies erlaubt uns nicht, feste Schlussfolgerungen zu ziehen. Durch das Abrufen von Big Data werden Fehler reduziert.
Systematische Fehler sind grundlegenddie Unsicherheit des Experiments. Übrigens sind sie oft nicht offensichtlich. Die beiden Arten von Neutronenlebensdauerexperimenten weisen völlig unterschiedliche potenzielle systematische Fehler auf. Wenn die Ergebnisse gleich wären, wären die Experimente ein ausgezeichneter Test für einander. Das passiert aber nicht.
"Das Schwierigste bei der Messung der Neutronenlebensdauer"Es ist sowohl zu kurz als auch zu lang", sagt Hoogerheide. "Es stellt sich heraus, dass 15 Minuten eine wirklich unbequeme Zeit sind, um in der Physik zu messen."
Daher arbeiten Nuklearwissenschaftler weiterhin daran, zusätzliche Daten zu sammeln und systematische Fehler zu minimieren.
Vertikal - Neutronenlebensdauer in Sekunden. Rot markiert die Ergebnisse von Experimenten mit Strahlen, Blau - mit Flaschen.
„Eines der Dinge, die mir am besten gefallenIn meinem Bereich ist es eine außergewöhnliche Liebe zum Detail und wie tief Sie jeden Aspekt Ihres Experiments verstehen müssen, um eine zuverlässige Messung durchzuführen “, sagt Leah Broussard, Kernphysikerin bei ORNL.
Am NIST führen Hoogerheide, Green und andere Wissenschaftler ein neues Strahlexperiment durch, das Leider hat jede Einstellung für jedes Experiment einen Einflussauf die nächsten Ergebnisse, so dass diese Arbeit auf dem System "zwei Schritte vorwärts , ein Schritt zurück" basiert.
Andere Arbeiten zielen darauf ab, neue Wege zu finden, um die Lebensdauer eines Neutrons zu messen.
Forscher der Johns Hopkins University undDie Durham University, UK, hat mit Unterstützung des US-Energieministeriums herausgefunden, wie NASA-Daten zur Messung der Neutronenlebensdauer verwendet werden können. Basierend auf Neutronen, die von Venus und Merkur ausgehen, berechneten sie eine Lebensdauer von 780 Sekunden mit einem Fehler von 130 Sekunden. Da die Datenerfassung jedoch nicht für diesen Zweck ausgelegt ist, ist die Unsicherheit zu hoch, um einen Unterschied in der Lebensdauer der Partikel festzustellen. Zhaouen Tang, Physiker am Los Alamos National Laboratory, führt ein Experiment durch, das eine Kreuzung zwischen Flaschen- und Strahlenexperimenten darstellt. Anstatt am Ende Protonen zu messen, werden Elektronen gemessen.
Ein völlig neuer Ansatz. Aber es sieht so aus, als hätten sich alle anderen Möglichkeiten erschöpft?
Oder nicht?
Neue Theorien. Von radikalen Ideen bis hin zu Science-Fiction
Natürlich besteht immer die Möglichkeit, dass der Unterschied in den Messungen direkt auf eine Wissenslücke über dieses grundlegende Teilchen - das Neutron - hinweist.
Tang gibt zu, dass er nicht vorhat, aufzuhörenExperimente. „Es gibt so viele Beispiele von Menschen, die etwas Außergewöhnliches beobachtet haben und es dann einfach dem Fehler zugeschrieben haben, nicht hart genug gearbeitet zu haben.“ Und jemand anderes hat gearbeitet und den Nobelpreis erhalten.“
Eine Theorie für das Geheimnis des Lebens des Neutrons istist, dass es auf eine Weise zerstört wird, die Wissenschaftler einfach nicht kennen. Es kann in andere Teilchen als die bekannte Kombination aus Proton, Elektron und Antineutrino zerfallen. Wenn ja, dann erklärt dies, warum Neutronenin Flaschenversuchen verschwinden,aber der entsprechende BetragProtonen in Strahlenexperimenten nicht nachgewiesen.
Andere Ideen sind noch radikaler.
Einige Theoretiker schlagen vor, dass NeutronenZerfall in Gammastrahlen und mysteriöse dunkle Materie. Dunkle Materie macht 75% der Materie im Universum aus, aber soweit Wissenschaftler wissen, interagiert sie nur durch die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie. Um diese Theorie zu testen, führte eine Gruppe von Wissenschaftlern am LANL eine Version des Flaschenexperiments durch, in dem Neutronen und Gammastrahlen gemessen wurden. Die vorgeschlagenen Gammastrahlen sind jedoch nicht eingetreten, und Wissenschaftler haben keine Hinweise auf das Auftreten dunkler Materie aus Neutronen.
Spiegelmaterie ist eine weitere Möglichkeitein Konzept, das wie Science-Fiction klingt. Theoretisch können sich die „fehlenden“ Neutronen in Spiegelneutronen verwandeln, also in exakte Kopien, die im gegenüberliegenden Universum existieren. Dieses Spiegeluniversum würde sich anders entwickeln als unser Universum, viel kälter sein und Helium würde darin vorherrschen. Während einige Nuklearwissenschaftler wie Green sie für „unplausibel“ halten, sind andere daran interessiert, die Theorie zu testen, nur „für alle Fälle“.
„Das ist relativ Neuland.Das klingt für mich sehr attraktiv, weil ich eine großartige Neutronenquelle in meinem Hinterhof habe“, sagte Leah Broussard und bezog sich dabei auf die Spallationsneutronenquelle und den Hochflussisotopenreaktor, die beide dem Office of Science des Energieministeriums gehören.
Von links nach rechts:Die ORNL-Mitarbeiter Matthew Frost und Leah Broussard arbeiten an einem Magnetismus-Reflektometer in einer Spaltneutronenquelle, mit dem nach spiegelnden Neutronen gesucht wird. Bildnachweis: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US-Energieministerium.
Um diese Theorie zu testen, analysiert BroussardDaten aus einem Prozess, der ein Strahllebensdauerexperiment simuliert, jedoch so abgestimmt ist, dass die Signatur eines potenziellen unsichtbaren Neutronenpartners erfasst wird. Indem sie einen Neutronenstrahl durch ein bestimmtes Magnetfeld startet und ihn dann mit einem Material stoppt, das normale Neutronen stoppt, können sie und ihre Kollegen möglicherweise feststellen, ob Spiegelneutronen vorhanden sind.
Welche Ergebnisse auch immer dies gebracht habenExperiment wird die Arbeit zur Bestimmung der Neutronenlebensdauer fortgesetzt. „Es ist sehr bedeutsam, dass es so viele Versuche gibt, die Lebensdauer eines Neutrons genau zu messen. Dies spiegelt die hochemotionale Reaktion der Wissenschaftler auf die Inkonsistenz auf diesem Gebiet wider: ‚Ich möchte es endlich herausfinden!‘“, schließt Broussard. „Jeder Wissenschaftler ist von der Lust zu lernen, dem Wunsch zu verstehen motiviert.“
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