Tajna života neutrona
Neutron je jedan od gradivnih blokova materije. Sam naziv sugerira
Ali koliko je vremena potrebno da se neutron "raspadne" ostaje misterij. A evo i zašto.
Jedna metoda mjerenja mjerenja daje rezultat od 887,7 sekundi, plus ili minus 2,2 sekunde.
Druga metoda pokazuje 878,5 sekundi, plus ili minus 0,8 sekundi.
Evo ih, tih istih devet sekundi koje zbunjuju znanstvenike.
Isprva se činilo da je ta razlika posljedicaosjetljivost mjerenja. Savršeno valjana teorija. Međutim, znanstvenici nastavljaju provoditi niz sve točnijih pokusa, a podmukla razlika i dalje ostaje.
Ova dosljednost razlike u podacima jasno pokazujenekoj nepoznatoj vrsti fizike, sigurni su znanstvenici. To može ukazivati na do sada nepoznat proces raspada neutrona. Ili bi takvo fundamentalno odstupanje moglo ukazivati na znanost izvan standardnog modela koji znanstvenici trenutno koriste za objašnjenje cjelokupne fizike čestica. Uostalom, postoji niz fenomena koje Standardni model ne objašnjava u potpunosti.
Zapravo, to nije teorija svega, jerne opisuje tamnu materiju, tamnu energiju i ne uključuje gravitaciju. No, eksperimentalna potvrda postojanja srednjih vektorskih bozona sredinom 80-ih dovršila je konstrukciju Standardnog modela i njegovo prihvaćanje kao glavnog.
Pa ipak, potreba za proširenjem modelanastao je 2002. godine nakon otkrića neutrinskih oscilacija. Inače, potvrdom postojanja Higgsovog bozona 2012. završeno je eksperimentalno otkrivanje elementarnih čestica predviđeno Standardnim modelom.
Kako bi se riješio čudni nesklad uživotni vijek neutrona Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a (DOE) surađuje s drugim saveznim agencijama, nacionalnim laboratorijima i sveučilištima.
Zašto proučavati neutron?
Nuklearni fizičari prvi su proučavali vrijemeživot neutrona zbog njegove važne uloge u fizici. "U prirodi postoje neke temeljne veličine koje su uvijek važne", objašnjava Jeff Green, profesor sa Sveučilišta Tennessee i fizičar u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge pri Ministarstvu energije. Proučavao je vijek trajanja neutrona većinu svog života - oko 40 godina. "Teorije dolaze i odlaze, ali vijek trajanja neutrona ostaje središnji dio mnogih procesa."
Zapravo, neutron je koristan vodič zarazumijevanje drugih čestica. Ovo je najjednostavnija radioaktivna čestica, stoga se redovito raspada na druge čestice. Stoga je neutron taj koji znanstvenicima daje dobru predodžbu o slaboj sili. Upravo onoj sili koja određuje hoće li se neutroni pretvoriti u protone ili ne. Često ovaj proces oslobađa energiju i uzrokuje raspad jezgri. Procesi slabe interakcije također igraju važnu ulogu u nuklearnoj fuziji, gdje se spajaju dva protona.
Životni vijek neutrona također može dati znanstvenicima ideju o tome što se dogodilo neposredno nakon Velikog praska. Primamljivo, zar ne?
Ilustracija eksplozije neutronske zvijezde
Samo nekoliko sekundi nakon obrazovanjaprotoni i neutroni, ali prije nego što su se spojili u elemente, počelo je vrijeme. Svemir se brzo hladio. U jednom trenutku se toliko ohladio da su se protoni i neutroni gotovo istog trenutka spojili u tvorbu helija i vodika. Kad bi se neutroni raspadali u protone malo brže ili sporije, to bi imalo ogroman utjecaj na cijeli proces svemira. Svemir bi imao vrlo različitu ravnotežu elemenata; vjerojatno je da sam život uopće ne bi postojao.
Znanstvenici se nadaju da će dobiti jednoznamenkasti broj zaodređivanje života neutrona kako bi se mogao uključiti u različite jednadžbe koje opisuju svemir. Nesigurnost vijeka trajanja neutrona je prihvatljiva, ali kada je kraća od sekunde. Međutim, utvrditi samo jedan broj pokazalo se teže nego što su fizičari očekivali.
Vijek trajanja neutrona jedan je od najmanje poznatih temeljnih parametara Standardnog modela.
Zhaouen Tang je fizičar u Nacionalnom laboratoriju Los Alamos (LANL) američkog Ministarstva energetike.
Da, naravno, različiti pojedincipokusi su uspjeli postići potrebnu razinu točnosti. No, nedosljednost između različitih vrsta eksperimenata sprječava znanstvenike u određivanju specifičnog broja života neutrona.
Kako je otkrivena nedosljednost podataka
Doznajući da postojirazlika u podacima nastala je iz želje fizičara da daju odgovore na sva pitanja o svemiru. Korištenje dvije ili više metoda za mjerenje iste količine najbolji je način da se osigura točno mjerenje. No znanstvenici ne mogu postaviti mjerače na neutrone kako bi vidjeli koliko brzo propadaju. Umjesto toga, pronalaze načine za mjerenje neutrona prije i nakon njihovog raspada kako bi izračunali njihov životni vijek.
I to je glavni problem.
Kad fizičari otkinu neutrone iz atomskih jezgri,stavili su ih u bocu i prebrojali koliko će neutrona ostati u njoj nakon nekog vremena, pretpostavljaju da neutroni podliježu radioaktivnom raspadu u prosjeku nakon 14 minuta 39 sekundi. No, kada drugi fizičari stvore snopove neutrona i izbroje broj protona koji se pojavljuju - čestice koje su produkti raspada slobodnih neutrona - oni dobivaju prosječni životni vijek od oko 14 minuta 48 sekundi.
Nesklad između mjerenja "boce" i "grede" traje do danas.
Odstupanja između mjerenja u "boci" i"Zraka" postoji još od dana kada su metode izračunavanja vijeka trajanja neutrona počele davati rezultate devedesetih godina. U početku su sva mjerenja bila toliko netočna da nitko nije bio zabrinut zbog toga. No postupno su se obje metode poboljšale, a ipak su se razlikovale u procjenama.
U pokusima s gredama koriste se strojevikoji stvaraju tokove neutrona. Znanstvenici mjere broj neutrona u određenom volumenu snopa. Zatim usmjeravaju tok kroz magnetsko polje u zamku čestica koju stvaraju električno i magnetsko polje. Neutroni se raspadaju u zamci gdje fizičari mjere količinu protona koji su zaostali.
Detektor protona u Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju, koji se koristi u metodi snopa.
Naprotiv, pokusi s bocama hvatajuultrahladni neutroni u spremniku. Ultrahladni neutroni putuju mnogo sporije od normalnih neutrona - nekoliko metara u sekundi, u usporedbi s 10 milijuna metara u sekundi iz reakcija fisije. Znanstvenici mjere koliko neutrona ima u spremniku, a zatim nakon određenog vremenskog razdoblja ponovno. Proučavajući razliku, mogu izračunati koliko su se brzo neutroni raspadali.
Eksperimentirajte na UNCtauu u Los Alamosu pomoću metode boce za mjerenje vijeka trajanja neutrona
“U eksperimentu s bocom, oni mjere“Preživjeli” su “mrtvi” u eksperimentu radijacije”, objašnjava Green. “Eksperiment s bocom zvuči lako, ali je zapravo vrlo težak. S druge strane, eksperiment sa zrakama zvuči komplicirano iu stvarnosti ga je također teško izvesti.”
Green i njegovi suradnici proveli su nova mjerenja u2013. na NIST-u, što im je pomoglo da još točnije preračunaju eksperiment snopa koji su proveli u istom laboratoriju 2005. godine. U ovom su trenutku znanstvenici dovršili pet pokusa s bocama i dva s grozdovima. Green je bio uvjeren da prethodnim eksperimentima sa snopom nedostaje jedan od najvećih izvora nesigurnosti. Naime, točno brojanje broja neutrona u snopu. Fizičari su poboljšali svoja mjerenja ove varijable kako bi ih učinili pet puta točnijim. Ali osam godina mukotrpnog rada ostavilo ih je bez ičega. Točnije, s istim rezultatskim razmakom.
Znanstvenici koji rade na eksperimentima sboce, suočili s vlastitim poteškoćama. Jedan od najvećih izazova mjerenja bio je spriječiti gubitak neutrona pri interakciji s materijalom od kojeg je spremnik napravljen. Curenje mijenja broj neutrona na kraju raspada i ometa izračune.
Da bi se riješio ovaj problem, u posljednjemLANL-ov eksperiment s bocom, koji je podržalo američko Ministarstvo znanosti, eliminirao je fizičke zidove. Umjesto toga, nuklearni fizičari koristili su magnetska polja i gravitaciju da zadrže neutrone na mjestu.
“Bio sam uvjeren da ćemo, ako to učinimomožemo učiniti da neutron živi dulje i složi se s životnim vijekom neutrona kao rezultat eksperimenata sa snopom”, rekla je Chen-Yu Liu, profesorica na Sveučilištu Indiana koja je vodila eksperiment. "To je bila moja osobna pristranost."
Ali razlika ostaje.“Bio je to veliki šok za mene”, priznala je kasnije, opisujući rezultate objavljene 2018. godine. Vjerojatnost da će razlika biti posljedica slučajnosti manja je od jedan prema 10 000. Ali ipak može biti posljedica eksperimentalne pogreške.
Zašto dolazi do pogreške?
Znanstvenici se suočavaju s dvije vrstenesigurnosti ili pogreške u eksperimentima: statističke ili sustavne. Statističke pogreške proizlaze iz nedovoljnih podataka. To nas sprječava da donesemo čvrste zaključke. Dobivanje velikih podataka smanjuje pogreške.
Sustavne pogreške su temeljneneizvjesnost eksperimenta. Usput, često nisu očiti. Dvije vrste eksperimenata s životnim vijekom neutrona imaju potpuno različite potencijalne sustavne pogreške. Da su rezultati isti, pokusi bi bili izvrstan test jedni drugima. Ali to se ne događa.
“Najteža stvar u mjerenju životnog vijeka neutrona"To je da je i prekratko i predugo", kaže Hoogerheide. "Pokazalo se da je 15 minuta stvarno nezgodno vrijeme za mjerenje u fizici."
Stoga nuklearni znanstvenici nastavljaju raditi na prikupljanju dodatnih podataka i minimiziranju sustavnih pogrešaka.
Vertikalni - životni vijek neutrona u sekundama. Crveno označava rezultate eksperimenata sa zrakama, plavo - s bocama.
“Jedna od stvari koje mi se najviše sviđajuu mom području je iznimna pozornost posvećena detaljima i tome koliko duboko morate razumjeti svaki aspekt svog eksperimenta kako biste napravili pouzdano mjerenje”, kaže Leah Broussard, nuklearna fizičarka u ORNL-u.
U NIST-u, Hoogerheide, Green i drugi znanstveniciprovode novi eksperiment sa snopom koji istražuje svaki mogući problem što je potpunije moguće. Nažalost, svaka postavka za svaki eksperiment utječe na naknadne rezultate, tako da se ovaj rad temelji na sustavu "dva koraka naprijed, jedan korak natrag".
Ostali radovi usmjereni su na pronalaženje novih načina za mjerenje životnog vijeka neutrona.
Istraživači sa Sveučilišta Johns Hopkins iSveučilište Durham, UK, uz potporu američkog Ministarstva energetike, shvatilo je kako koristiti NASA-ine podatke za mjerenje životnog vijeka neutrona. Na temelju neutrona koji izlaze s Venere i Merkura, izračunali su životni vijek od 780 sekundi s greškom od 130 sekundi. No budući da prikupljanje podataka nije namijenjeno za tu svrhu, nesigurnost je previsoka da bi se utvrdila razlika u životu čestica. Zhaouen Tang, fizičar iz Nacionalnog laboratorija u Los Alamosu, postavlja eksperiment koji je križ između eksperimenata s bocom i snopom. Umjesto mjerenja protona na kraju, mjerit će elektrone.
Potpuno novi pristup. Ali izgleda da su se sve druge opcije iscrpile?
Ili ne?
Nove teorije. Od radikalnih ideja do znanstvene fantastike
Naravno, uvijek postoji mogućnost da razlika u mjerenjima izravno ukazuje na prazninu u našem znanju o ovoj temeljnoj čestici – neutronu.
Tang priznaje da ne planira odustatieksperimenti. “Postoji toliko mnogo primjera ljudi koji su primijetili nešto izvanredno, a zatim za to jednostavno okrivili pogrešku jer nisu dovoljno radili.” A netko drugi je radio i dobio Nobelovu nagradu.”
Jedna teorija o misteriju života neutrona jeje da se uništava na načine koje znanstvenici jednostavno ne poznaju. Može se raspasti na čestice različite od poznate kombinacije protona, elektrona i antineutrina. Ako je tako, onda to objašnjava zašto neutroninestati u eksperimentima s bocama,ali odgovarajući iznosprotoni koji nisu otkriveni u eksperimentima sa snopom,
Druge su ideje još radikalnije.
Neki teoretičari sugeriraju da neutroniraspada se na gama zrake i tajanstvenu tamnu tvar. Tamna tvar čini 75% materije u Svemiru, ali koliko znanstvenici znaju, s običnom materijom stupa u interakciju samo putem gravitacije. Kako bi testirali ovu teoriju, skupina znanstvenika s LANL-a pokrenula je verziju eksperimenta s bocom u kojoj su mjerili neutrone i gama zrake. No predložene gama zrake nisu se ostvarile, a znanstvenici nemaju dokaza o pojavi tamne tvari iz neutrona.
Zrcalna tvar je još jedna moguća stvarkoncept koji zvuči kao znanstvena fantastika. Teoretski, "nestali" neutroni mogu se pretvoriti u zrcalne neutrone, naime, točne kopije koje postoje u suprotnom Svemiru. Razvijajući se drugačije od našeg svemira, ovaj zrcalni svemir bio bi puno hladniji i u njemu bi prevladavao helij. Dok neki nuklearni znanstvenici poput Greena misle da je to "nevjerojatno", drugi su zainteresirani za testiranje teorije, samo "za svaki slučaj".
“Ovo je relativno neistražen teritorij.To mi zvuči vrlo privlačno jer imam sjajan izvor neutrona u svom dvorištu,” rekla je Leah Broussard, misleći na Spallation Neutron Source i High Flux Isotope Reactor, oba u vlasništvu Ureda za znanost Ministarstva energetike ORNL.
S lijeva na desno:ORNL suradnici Matthew Frost i Leah Broussard rade na reflektometru magnetizma u izvoru fisijskih neutrona koji se koristi za traženje zrcalnih neutrona. Zasluge: Genevieve Martin / Nacionalni laboratorij Oak Ridge, Ministarstvo energetike SAD-a.
Kako bi provjerio ovu teoriju, Broussard analizirapodatke iz procesa koji simulira eksperiment životnog vijeka snopa, ali je podešen tako da uhvati potpis potencijalnog nevidljivog neutronskog partnera. Lansiranjem snopa neutrona kroz određeno magnetsko polje i zatim zaustavljanjem s materijalom koji zaustavlja normalne neutrone, ona i njezini kolege mogli bi utvrditi postoje li zrcalni neutroni.
Kakvi god rezultati donijeli ovoeksperimenta, nastavit će se rad na određivanju životnog vijeka neutrona. “Vrlo je značajno da postoji toliko mnogo pokušaja da se točno izmjeri životni vijek neutrona. To govori o vrlo emotivnoj reakciji znanstvenika na nedosljednost u ovom polju — 'Želim konačno saznati!'", zaključuje Broussard. “Svakog znanstvenika motivira želja za učenjem, želja za razumijevanjem.”
Pročitajte i
Na prijetećem Zemljinom asteroidu Apophis je primijetio opasan fenomen. Što se događa?
Znanstvenici su otkrili zašto su djeca najopasniji nositelji COVID-19
Ono što je Solarna sonda Parker otkrila kad je letjela što bliže Suncu