Il mistero della vita del neutrone
Il neutrone è uno degli elementi costitutivi della materia. Lo suggerisce il nome stesso
Ma quanto tempo impiega un neutrone a “cadere a pezzi” rimane un mistero. Ed ecco perché.
Un metodo di misurazione fornisce un risultato di 887,7 secondi, più o meno 2,2 secondi.
Un altro metodo mostra 878,5 secondi, più o meno 0,8 secondi.
Eccoli, quegli stessi nove secondi che confondono gli scienziati.
All'inizio sembrava che questa differenza fosse dovuta asensibilità di misura. Una teoria perfettamente valida. Tuttavia, gli scienziati continuano a condurre una serie di esperimenti sempre più accurati e l'insidiosa discrepanza rimane ancora.
Questa coerenza nella differenza dei dati lo indica chiaramentea qualche tipo sconosciuto di fisica, gli scienziati ne sono sicuri. Ciò potrebbe indicare un processo di decadimento dei neutroni finora sconosciuto. Oppure una discrepanza così fondamentale potrebbe indicare che la scienza va oltre il modello standard che gli scienziati attualmente utilizzano per spiegare tutta la fisica delle particelle. Dopotutto, ci sono una serie di fenomeni che il Modello Standard non spiega completamente.
In realtà, non è una teoria del tutto, da alloranon descrive la materia oscura, l'energia oscura e non include la gravità. Tuttavia, la conferma sperimentale dell'esistenza dei bosoni vettori intermedi a metà degli anni '80 ha completato la costruzione del Modello Standard e la sua accettazione come quello principale.
Eppure, la necessità di espandere il modelloè nata nel 2002 dopo la scoperta delle oscillazioni dei neutrini. A proposito, è stata la conferma dell'esistenza del bosone di Higgs nel 2012 che ha completato la rilevazione sperimentale delle particelle elementari prevista dal Modello Standard.
Per risolvere la strana discrepanza indurata dei neutroni L'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) collabora con altre agenzie federali, laboratori nazionali e università.
Perché studiare il neutrone?
I fisici nucleari furono i primi a studiare il tempola vita del neutrone a causa del suo ruolo importante nella fisica. "Ci sono alcune quantità fondamentali in natura che sono sempre importanti", spiega Jeff Green, professore e fisico dell'Università del Tennessee presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia. Ha studiato la durata dei neutroni per la maggior parte della sua vita - circa 40 anni. "Le teorie vanno e vengono, ma la durata dei neutroni rimane centrale in molti processi".
In effetti, il neutrone è una guida utile percomprensione di altre particelle. Questa è la particella radioattiva più semplice, quindi decade regolarmente in altre particelle. Pertanto, è il neutrone che dà agli scienziati una buona idea della forza debole, la stessa forza che determina se i neutroni si trasformano o meno in protoni. Spesso questo processo libera energia e provoca il decadimento dei nuclei. Anche i processi di interazione debole svolgono un ruolo importante nella fusione nucleare, dove due protoni si combinano.
La durata dei neutroni può anche dare agli scienziati un'idea di ciò che è accaduto immediatamente dopo il Big Bang. Allettante, non è vero?
Illustrazione di esplosione di stelle di neutroni
Pochi secondi dopo l'istruzioneprotoni e neutroni, ma prima che si combinassero in elementi, il tempo iniziò. L'universo si stava rapidamente raffreddando. Ad un certo punto, si è raffreddato così tanto che protoni e neutroni si sono combinati quasi istantaneamente per formare elio e idrogeno. Se i neutroni decadessero in protoni un po 'più velocemente o più lentamente, avrebbe un enorme impatto sull'intero processo dell'universo. L'universo avrebbe un equilibrio di elementi molto diverso; è probabile che la vita stessa non esisterebbe affatto.
Gli scienziati sperano di ottenere un numero a una cifra perdefinizione della durata del neutrone in modo che possa essere inclusa in varie equazioni che descrivono l'Universo. L'incertezza della durata del neutrone è accettabile, ma quando è inferiore a un secondo. Tuttavia, ottenere la certezza su un solo numero si è rivelato più difficile di quanto si aspettassero i fisici.
La durata del neutrone è uno dei parametri fondamentali meno conosciuti del Modello Standard.
Zhaouen Tang è un fisico del Los Alamos National Laboratory (LANL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Sì, certo, vari individuigli esperimenti sono stati in grado di raggiungere il livello di accuratezza richiesto. Ma l'incongruenza tra diversi tipi di esperimenti impedisce agli scienziati di determinare uno specifico numero di vita dei neutroni.
Come è stata scoperta l'incoerenza dei dati
Scoprire che ce n'èla differenza nei dati è nata dal desiderio dei fisici di fornire risposte a tutte le domande sull'universo. Utilizzare due o più metodi per misurare la stessa quantità è il modo migliore per garantire una misurazione accurata. Ma gli scienziati non possono impostare timer sui neutroni per vedere quanto velocemente decadono. Invece, trovano il modo di misurare i neutroni prima e dopo il loro decadimento per calcolare la loro durata.
E questo è il problema principale.
Quando i fisici strappano i neutroni dai nuclei atomici,li mettono in una bottiglia e contano quanti neutroni vi rimarranno dopo un po 'di tempo, presumono che i neutroni subiscano un decadimento radioattivo in media dopo 14 minuti e 39 secondi. Ma quando altri fisici creano fasci di neutroni e contano il numero di protoni che appaiono - particelle che sono prodotti di decadimento di neutroni liberi - finiscono per avere una vita media di circa 14 minuti e 48 secondi.
La discrepanza tra le misure della "bottiglia" e della "trave" persiste ancora oggi.
Discrepanze tra le misurazioni nella "bottiglia" e"Ray" esiste dai giorni in cui i metodi per calcolare la durata dei neutroni hanno iniziato a dare risultati negli anni '90. All'inizio, tutte le misurazioni erano così imprecise che nessuno se ne preoccupava. Ma gradualmente entrambi i metodi sono migliorati e differivano ancora nelle loro stime.
Negli esperimenti sul raggio, vengono utilizzate macchineche creano flussi di neutroni. Gli scienziati misurano il numero di neutroni in un volume specifico del raggio. Quindi dirigono il flusso attraverso il campo magnetico in una trappola di particelle creata dai campi elettrici e magnetici. I neutroni decadono in una trappola in cui i fisici misurano la quantità di protoni che vengono lasciati indietro.
Rivelatore di protoni presso il National Institute of Standards and Technology, utilizzato nel metodo del raggio.
Al contrario, gli esperimenti in bottiglia catturanoneutroni ultrafreddi in un contenitore. I neutroni ultrafreddi viaggiano molto più lentamente dei neutroni normali: pochi metri al secondo, rispetto ai 10 milioni di metri al secondo dalle reazioni di fissione. Gli scienziati misurano prima quanti neutroni ci sono nel contenitore e poi di nuovo dopo un certo periodo di tempo. Studiando la differenza, possono calcolare la velocità con cui i neutroni sono decaduti.
Esperimento presso UNCtau a Los Alamos utilizzando il metodo della bottiglia per misurare la durata dei neutroni
"Nell'esperimento in bottiglia, misuranoI “sopravvissuti” sono “morti” in un esperimento sulle radiazioni”, spiega Green. “L’esperimento in bottiglia sembra facile, ma in realtà è molto difficile. D’altra parte l’esperimento con i raggi sembra complicato e in realtà è anche difficile da realizzare”.
Грин и его сотрудники провели новые измерения в 2013 году в NIST, которые помогли им еще точнее пересчитать эксперимент пучка, который они проводили в той же лаборатории в 2005 году. К этому моменту ученые завершили пять экспериментов с бутылкой и два — с пучками. Грин был убежден, что предыдущие эксперименты с пучком упускали из виду один из самых больших источников неопределенности. А именно — точный подсчет количества нейтронов в пучке. Физики улучшили свои измерения этой переменной, чтобы сделать их в пять раз точнее. Но восемь лет напряженной работы оставил их ни с чем. Точнее, с тем же самым разрывом в результатах.
Scienziati che lavorano su esperimenti conbottiglie, hanno affrontato le proprie difficoltà. Una delle maggiori sfide di misurazione era impedire la perdita di neutroni durante l'interazione con il materiale di cui è fatto il contenitore. La perdita cambia il numero di neutroni alla fine del decadimento e interferisce con i calcoli.
Чтобы решить эту проблему, в последнем эксперименте с бутылкой в LANL, который проводился при поддержке Министерства науки США, были устранены физические стены. Вместо этого физики-ядерщики использовали магнитные поля и гравитацию, чтобы удерживать нейтроны на месте.
“Ero convinto che se lo avessimo fatto, avremmopossiamo far vivere il neutrone più a lungo e concordare con la durata del neutrone come risultato degli esperimenti sul fascio ", ha detto Chen-Yu Liu, una professoressa all'Università dell'Indiana che ha guidato l'esperimento. "Questo era il mio pregiudizio personale."
Ma la differenza resta."È stato un grande shock per me", ha ammesso in seguito, descrivendo i risultati, pubblicati nel 2018. La possibilità che la differenza sia dovuta a una coincidenza è inferiore a una su 10.000, ma potrebbe comunque essere dovuta a un errore sperimentale.
Perché si verifica l'errore?
Gli scienziati si confrontano con due tipiincertezze o errori negli esperimenti: statistici o sistematici. Gli errori statistici derivano da dati insufficienti. Questo ci impedisce di trarre conclusioni definitive. Ottenere big data riduce gli errori.
Gli errori sistematici sono fondamentalil'incertezza dell'esperimento. A proposito, spesso non sono evidenti. I due tipi di esperimenti sulla durata dei neutroni hanno potenziali errori sistematici completamente diversi. Se i risultati fossero gli stessi, gli esperimenti sarebbero un eccellente test l'uno dell'altro. Ma questo non sta accadendo.
"La cosa più difficile nella misurazione della durata dei neutroniÈ che è sia troppo corto che troppo lungo ", dice Hoogheide. "Si scopre che 15 minuti sono un tempo davvero scomodo da misurare in fisica".
Pertanto, gli scienziati nucleari continuano a lavorare per raccogliere dati aggiuntivi e ridurre al minimo gli errori sistematici.
Verticale: durata del neutrone in secondi. Il rosso segna i risultati degli esperimenti con i raggi, blu - con le bottiglie.
“Una delle cose che mi piacciono di piùnel mio campo, è un'eccezionale attenzione ai dettagli e quanto profondamente devi comprendere ogni aspetto del tuo esperimento per effettuare una misurazione affidabile ", afferma Leah Broussard, fisica nucleare presso ORNL.
В NIST Хугерхайде, Грин и другие ученые проводят новый эксперимент с пучком, который исследует каждую возможную проблему настолько полно, насколько это вообще возможно. К сожалению, каждая настройка для каждого эксперимента влияет на последующие результаты, поэтому эта работа по системе «два шага вперед — один шаг назад».
Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.
Ricercatori della Johns Hopkins University eL'Università di Durham nel Regno Unito, con il supporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha scoperto come utilizzare i dati della NASA per misurare la durata dei neutroni. Sulla base dei neutroni emanati da Venere e Mercurio, hanno calcolato una durata di 780 secondi con un errore di 130 secondi. Ma poiché la raccolta dei dati non è progettata per questo scopo, l'incertezza è troppo alta per determinare una differenza nella vita delle particelle. Zhaouen Tang, un fisico del Los Alamos National Laboratory, organizza un esperimento che è un incrocio tra esperimenti con bottiglia e con raggio. Invece di misurare i protoni alla fine, misurerà gli elettroni.
Un approccio completamente nuovo. Ma sembra che tutte le altre opzioni si siano esaurite?
O no?
Новые теории. От радикальных идей до научной фантастики
Naturalmente, c'è sempre la possibilità che la differenza nelle misurazioni indichi direttamente una lacuna nella nostra conoscenza di questa particella fondamentale: il neutrone.
Танг признается, что не собирается бросать эксперименты. «Есть так много примеров людей, которые наблюдали нечто экстраординарное, а потом просто сослались на ошибку, не поработали достаточно усердно… А кто-то другой — поработал, и получил Нобелевскую премию».
Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны scompaiono negli esperimenti in bottiglia, но соответствующее количество protoni non rilevati negli esperimenti sui fasci.
Другие идеи еще более радикальны.
Alcuni teorici suggeriscono che i neutronidecadimento in raggi gamma e misteriosa materia oscura. La materia oscura costituisce il 75% della materia nell'universo, ma per quanto ne sanno gli scienziati, interagisce con la materia ordinaria solo attraverso la gravità. Per testare questa teoria, un gruppo di scienziati del LANL ha eseguito una versione dell'esperimento della bottiglia in cui hanno misurato neutroni e raggi gamma. Ma i raggi gamma proposti non si sono concretizzati e gli scienziati non hanno prove della comparsa di materia oscura dai neutroni.
Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».
«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.
Da sinistra a destra:I collaboratori di ORNL Matthew Frost e Leah Broussard stanno lavorando a un riflettometro per magnetismo in una sorgente di neutroni a fissione che viene utilizzata per cercare neutroni speculari. Credito: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Per testare questa teoria, Broussard analizzadati da un processo che simula un esperimento di durata del raggio, ma è sintonizzato per catturare la firma di un potenziale partner neutronico invisibile. Lanciando un fascio di neutroni attraverso uno specifico campo magnetico e poi fermandolo con un materiale che arresta i neutroni normali, lei ei suoi colleghi potrebbero essere in grado di determinare se esistono neutroni specchio.
Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».
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