תעלומת חייו של הנויטרון
הנייטרון הוא אחד מאבני הבניין של החומר. השם עצמו מרמז
אבל כמה זמן לוקח לנייטרון "להתפרק" נותר בגדר תעלומה. ו הנה הסיבה.
שיטה אחת למדידת המדידה נותנת תוצאה של 887.7 שניות, פלוס מינוס 2.2 שניות.
שיטה אחרת מראה 878.5 שניות, פלוס מינוס 0.8 שניות.
הנה הם, אותן תשע שניות שמבלבלות מדענים.
בהתחלה נראה שההבדל הזה נובע מרגישות למדידה. תיאוריה תקפה לחלוטין. עם זאת, מדענים ממשיכים לערוך סדרה של ניסויים מדויקים יותר ויותר, אך עדיין עומד הפער הערמומי.
עקביות זו בהבדל בנתונים מעידה בבירורלאיזה סוג פיזיקה לא ידוע, המדענים בטוחים. זה עשוי להצביע על תהליך ריקבון נויטרונים שלא היה ידוע עד כה. או סתירה בסיסית כזו יכולה להצביע על מדע מעבר למודל הסטנדרטי שבו משתמשים כיום מדענים כדי להסביר את כל הפיזיקה של החלקיקים. אחרי הכל, ישנן מספר תופעות שהמודל הסטנדרטי אינו מסביר במלואו.
למעשה, זו לא תיאוריה של הכל, שכןאינו מתאר חומר אפל, אנרגיה אפלה ואינו כולל כוח משיכה. עם זאת, אישור ניסיוני לקיומם של בוזוני וקטור ביניים באמצע שנות ה-80 השלים את בניית המודל הסטנדרטי ואת קבלתו כעיקרי.
ועדיין, הצורך בהרחבת המודלקם בשנת 2002 לאחר גילוי תנודות ניטרינו. אגב, היה זה האישור לקיומו של בוזון היגס בשנת 2012 שהשלים את הגילוי הניסיוני של חלקיקים אלמנטריים שחוזה המודל הסטנדרטי.
כדי לפתור את הפער המוזר בחיי נויטרונים משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) עובד עם סוכנויות פדרליות אחרות, מעבדות לאומיות ואוניברסיטאות.
מדוע ללמוד את הנויטרון?
פיזיקאים גרעיניים היו הראשונים ללמוד זמןחיי הנויטרון בגלל תפקידו החשוב בפיזיקה. "יש כמה כמויות בסיסיות בטבע שתמיד חשובות", מסביר ג'ף גרין, פרופסור ופיזיקאי מאוניברסיטת טנסי במעבדה הלאומית Oak Ridge שבמחלקה לאנרגיה. הוא למד את חיי הנויטרונים במשך רוב חייו - כ- 40 שנה. "תיאוריות באות והולכות, אך חיי הנויטרונים נותרים מרכזיים בתהליכים רבים."
למעשה, הנייטרון הוא מדריך שימושי עבורהבנה של חלקיקים אחרים. זהו החלקיק הרדיואקטיבי הפשוט ביותר, ולכן הוא מתפרק באופן קבוע לחלקיקים אחרים. לפיכך, הנייטרון הוא זה שנותן למדענים מושג טוב על הכוח החלש. הכוח עצמו שקובע אם נויטרונים הופכים לפרוטונים או לא. לעתים קרובות תהליך זה משחרר אנרגיה וגורם לריקבון הגרעינים. תהליכי אינטראקציה חלשים ממלאים גם תפקיד חשוב בהיתוך גרעיני, שבו שני פרוטונים מתחברים.
חיי הנויטרונים יכולים גם לתת למדענים מושג מה קרה מיד לאחר המפץ הגדול. מפתה, לא?
איור פיצוץ כוכב נויטרונים
שניות ספורות אחרי הלימודיםפרוטונים ונויטרונים, אך לפני שהם התאחדו לאלמנטים, הזמן החל. היקום התקרר במהירות. בשלב מסוים הוא התקרר כל כך עד שפרוטונים ונויטרונים התאחדו כמעט באופן מיידי ליצירת הליום ומימן. אם נויטרונים יתפרקו לפרוטונים קצת יותר מהר או איטי יותר, תהיה לכך השפעה עצומה על כל תהליך היקום. ביקום יהיה מאזן שונה מאוד של אלמנטים; סביר להניח שהחיים עצמם כלל לא היו קיימים.
מדענים מקווים לקבל מספר חד ספרתי עבורהגדרת חיי הנויטרונים כך שהוא יכול להיכלל במשוואות שונות המתארות את היקום. חוסר הוודאות של חיי הנויטרונים מקובל, אך כאשר הוא פחות משנייה. עם זאת, קבלת וודאות במספר אחד בלבד הוכיחה את עצמה כקשה יותר מכפי שציפו פיזיקאים.
אורך חיי הנויטרונים הוא אחד הפרמטרים הבסיסיים הפחות ידועים של המודל הסטנדרטי.
ג'אואן טאנג הוא פיזיקאי במעבדה הלאומית בלוס אלמוס (LANL) של משרד האנרגיה האמריקאי.
כן, כמובן, בודדים שוניםניסויים הצליחו להשיג את רמת הדיוק הנדרשת. אך חוסר העקביות בין סוגי הניסויים השונים מונע מדענים לקבוע מספר חיי נויטרונים ספציפי.
כיצד התגלה חוסר העקביות בנתונים
לגלות שיש כאלהההבדל בנתונים נוצר בגלל הרצון של הפיזיקאים לתת תשובות לכל השאלות על היקום. שימוש בשתי שיטות או יותר למדידת אותה כמות היא הדרך הטובה ביותר להבטיח מדידה מדויקת. אך מדענים אינם יכולים לקבוע טיימרים על נויטרונים כדי לראות כמה מהר הם מתפוררים. במקום זאת, הם מוצאים דרכים למדוד נויטרונים לפני ואחרי שהם מתפוררים כדי לחשב את חייהם.
וזו הבעיה העיקרית.
כאשר פיזיקאים קורעים נויטרונים מגרעינים אטומיים,הם מכניסים אותם לבקבוק וסופרים כמה נויטרונים יישארו בו לאחר זמן מה, הם מניחים שנייטרונים עוברים ריקבון רדיואקטיבי בממוצע לאחר 14 דקות ו 39 שניות. אך כאשר פיזיקאים אחרים יוצרים קרני נויטרונים וסופרים את מספר הפרוטונים המופיעים - חלקיקים שהם תוצרת ריקבון של נויטרונים חופשיים - הם מקבלים זמן חיים ממוצע של כ 14 דקות ו 48 שניות.
הפער בין מדידות ה"בקבוק "ל"קרן" עדיין נמשך.
פערים בין המדידות ב"בקבוק "לביןה"קרן "קיימת עוד מהימים שבהם השיטות לחישוב אורך חיי הנויטרונים החלו להניב תוצאות בשנות התשעים. בהתחלה כל המדידות היו כל כך לא מדויקות שאף אחד לא דאג מכך. אך בהדרגה שתי השיטות השתפרו, ועדיין היו שונות בהערכות.
בניסויי קרן משתמשים במכונותאשר יוצרים שטפי נויטרונים. מדענים מודדים את מספר הנייטרונים בנפח מסוים של הקורה. לאחר מכן הם מכוונים את הזרימה דרך שדה מגנטי למלכודת חלקיקים שנוצרת על ידי השדות החשמליים והמגנטיים. הנויטרונים מתפוררים במלכודת בה פיזיקאים מודדים את כמות הפרוטונים שנותרה מאחור.
גלאי פרוטונים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה המשמש בשיטת הקורה.
להפך, ניסויים בבקבוקים תופסיםנויטרונים אולטרה-קרובים במיכל. נויטרונים אולטרא-קולד נעים הרבה יותר לאט מנויטרונים רגילים - כמה מטרים לשנייה, לעומת 10 מיליון מטר לשנייה מתגובות ביקוע. מדענים מודדים כמה נויטרונים נמצאים במיכל תחילה, ואז שוב לאחר פרק זמן מסוים. על ידי לימוד ההבדל, הם יכולים לחשב כמה מהר נויטרונים נרקבו.
התנסו ב- UNCtau בלוס אלמוס בשיטת הבקבוק למדידת חיי הנויטרונים
"בניסוי הבקבוק, הם מודדים"שורדים" "מתים" בניסוי קרינה", מסביר גרין. "ניסוי הבקבוק נשמע קל, אבל הוא למעשה קשה מאוד. מצד שני, הניסוי בקרניים נשמע מסובך ובמציאות הוא גם קשה לביצוע”.
גרין ושותפי הפעולה שלו ביצעו מדידות חדשות ב2013 ב-NIST, מה שעזר להם לחשב מחדש ביתר דיוק ניסוי קרן שהם ערכו באותה מעבדה ב-2005. בשלב זה, מדענים השלימו חמישה ניסויים בבקבוקים ושניים עם צרורות. גרין היה משוכנע שבניסויי האלומה הקודמים חסר אחד ממקורות אי הוודאות הגדולים ביותר. כלומר, ספירה מדויקת של מספר הנייטרונים בקרן. פיזיקאים שיפרו את המדידות שלהם של משתנה זה כדי להפוך אותן לדיוק פי חמישה. אבל שמונה שנים של עבודה קשה השאירו אותם בלי כלום. ליתר דיוק, עם אותו פער בתוצאות.
מדענים העובדים על ניסויים עםבקבוקים, התמודדו עם הקשיים שלהם. אחד האתגרים הגדולים ביותר במדידה היה למנוע אובדן של נויטרונים בעת אינטראקציה עם החומר ממנו מיוצר. הדליפה משנה את מספר הנויטרונים בסוף הריקבון ומפריעה לחישובים.
כדי לפתור בעיה זו, באחרונהניסוי הבקבוקים של LANL, שנתמך על ידי משרד המדע האמריקאי, ביטל קירות פיזיים. במקום זאת, פיזיקאים גרעיניים השתמשו בשדות מגנטיים ובכוח הכבידה כדי להחזיק את הנייטרונים במקום.
"הייתי משוכנע שאם נעשה זאת, אנחנואנו יכולים לגרום לנויטרונים לחיות זמן רב יותר ולהסכים עם חיי הנויטרונים כתוצאה מניסויי הקורה ", אמר צ'ן-יו ליו, פרופסור מאוניברסיטת אינדיאנה שהוביל את הניסוי. "זו הייתה ההטיה האישית שלי."
אבל ההבדל נשאר. "זה היה זעזוע גדול עבורי", הודתה מאוחר יותר, והתייחסה לתוצאות שפורסמו בשנת 2018. הסיכוי שההבדל יהיה בגלל צירוף מקרים הוא פחות מאחד ל -10,000. אבל זה עדיין יכול להיות בגלל שגיאת ניסוי.
מדוע מתרחשת השגיאה?
מדענים עומדים בפני שני סוגיםאי וודאות או טעויות בניסויים: סטטיסטיים או שיטתיים. שגיאות סטטיסטיות נובעות ממידע לא מספיק. זה מונע מאיתנו להסיק מסקנות נחרצות. קבלת נתונים גדולים מפחיתה שגיאות.
שגיאות שיטתיות הן בסיסיותחוסר וודאות של הניסוי. אגב, לעתים קרובות הם לא ברורים מאליהם. לשני סוגים של ניסויים לכל אורך נויטרונים יש שגיאות שיטתיות פוטנציאליות שונות לחלוטין. אם התוצאות היו זהות, הניסויים היו מבחן מצוין זה לזה. אבל זה לא קורה.
"הדבר הקשה ביותר במדידת חיי הנויטרונים"זה שהוא גם קצר מדי וגם ארוך מדי", אומר הוירהייד. "מתברר ש 15 דקות זה זמן ממש לא נוח למדוד בפיזיקה."
לכן, מדעני הגרעין ממשיכים לעבוד על איסוף נתונים נוספים ומזעור טעויות שיטתיות.
אנכי - חיי נויטרונים בשניות. אדום מסמן את תוצאות הניסויים בקרניים, כחול - עם בקבוקים.
"אחד הדברים שאני הכי אוהבבתחום שלי, זה תשומת לב יוצאת דופן לפרטים וכמה לעומק אתה צריך להבין כל היבט של הניסוי שלך כדי לבצע מדידה אמינה ", אמרה לאה ברוסארד, פיזיקאית גרעינית ב- ORNL.
ב-NIST, Hoogerheide, גרין ומדענים אחריםעורכים ניסוי קרן חדש שבוחן כל בעיה אפשרית בצורה מלאה ככל האפשר. למרבה הצער, כל הגדרה של כל ניסוי משפיעה על התוצאות הבאות, ולכן עבודה זו מבוססת על מערכת "שני צעדים קדימה, צעד אחד אחורה".
עבודה אחרת מכוונת למציאת דרכים חדשות למדידת חייו של נויטרון.
חוקרים מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס ואוניברסיטת דורהאם, בריטניה, בתמיכת משרד האנרגיה האמריקני, הבינה כיצד להשתמש בנתוני נאס"א למדידת חיי הנויטרונים. בהתבסס על נויטרונים הנובעים מנוגה וממרקורי, הם חישבו חיים של 780 שניות עם שגיאה של 130 שניות. אך מכיוון שאיסוף הנתונים אינו מיועד למטרה זו, אי הוודאות גבוהה מכדי לקבוע הבדל בחיי החלקיקים. ג'אואן טאנג, פיזיקאי במעבדה הלאומית לוס אלמוס, מקים ניסוי שהוא מעבר בין ניסויים בבקבוקים וקרניים. במקום למדוד פרוטונים בסוף, הוא ימדוד אלקטרונים.
גישה חדשה לחלוטין. אבל נראה שכל האפשרויות האחרות מיצו את עצמן?
או שלא?
תיאוריות חדשות. מרעיונות רדיקליים למדע בדיוני
כמובן, תמיד קיימת האפשרות שההבדל במדידות מעיד ישירות על פער בידיעתנו לגבי חלקיק יסודי זה - הנויטרון.
טאנג מודה שאין לו תוכניות להפסיקניסויים. "יש כל כך הרבה דוגמאות של אנשים שצפו במשהו יוצא דופן ואז פשוט האשימו אותו בטעות שלא עבדו מספיק קשה". ומישהו אחר עבד וקיבל את פרס נובל".
תיאוריה אחת למסתורין של חיי הנייטרון היאהוא שהוא מושמד בדרכים שמדענים פשוט לא יודעים. הוא יכול להתפרק לחלקיקים שונים מהשילוב המוכר של פרוטון, אלקטרון ואנטי-נייטרינו. אם כן, אז זה מסביר מדוע נויטרוניםנעלמים בניסויים עם בקבוקים,אלא הכמות המקבילהפרוטונים אינם מזוהים בניסויי קרן.
רעיונות אחרים הם אפילו יותר קיצוניים.
כמה תיאורטיקנים מציעים כי נויטרוניםלהתפורר לקרני גמא ולחומר אפל מסתורי. חומר אפל מהווה 75% מהחומר ביקום, אך, ככל הידוע למדענים, מתקשר עם חומר רגיל רק באמצעות כוח המשיכה. כדי לבדוק תיאוריה זו, קבוצת מדענים ב- LANL ניהלה גרסה של ניסוי הבקבוק בו מדדה נויטרונים וקרני גמא. אך קרני הגמא המוצעות לא יצאו לפועל, ולמדענים אין עדויות להופעת חומר אפל מנויטרונים.
חומר מראה הוא עוד אפשרימושג שנשמע כמו מדע בדיוני. תיאורטית, הנייטרונים ה"חסרים" יכולים להפוך לנייטרונים במראה, כלומר, עותקים מדויקים שקיימים ביקום הנגדי. יקום המראה הזה יתפתח בצורה שונה מהיקום שלנו, ויקום המראה הזה יהיה הרבה יותר קר והליום ישלוט בו. בעוד כמה מדעני גרעין כמו גרין חושבים שזה "בלתי סביר", אחרים מעוניינים לבדוק את התיאוריה, רק "למקרה".
"זה שטח לא ידוע יחסית.זה נשמע לי מאוד אטרקטיבי כי יש לי מקור נויטרונים נהדר בחצר האחורית שלי, "אמרה לאה ברוסארד, בהתייחסה למקור הניוטרונים של ה-Spallation ו-High Flux Isotope Actor, שניהם בבעלות משרד המדע של משרד האנרגיה. ORNL.
משמאל לימין: משתפי הפעולה של ORNL, מתיו פרוסט ולאה ברוסארד, עובדים על מד רפלקטור מגנטיות במקור נויטרונים ביקוע המשמש לחיפוש נויטרונים ספציפיים. אשראי: המעבדה הלאומית ג'נייבייב מרטין / אוק רידג ', משרד האנרגיה האמריקני.
כדי לבחון תיאוריה זו, מנתח ברוסארדנתונים מתהליך המחקה ניסוי לכל אורך הקורה, אך מכוון לתפוס את חתימתו של בן זוג נויטרונים פוטנציאלי בלתי נראה. על ידי שיגור קרן של נויטרונים דרך שדה מגנטי ספציפי ואז עצירה שלה עם חומר שעוצר נויטרונים רגילים, היא ועמיתיה יוכלו לקבוע אם קיימים נויטרוני מראה.
כל תוצאות הביאו לכךהניסוי, העבודה לקביעת משך חיי הנייטרונים תימשך. "זה מאוד משמעותי שיש כל כך הרבה ניסיונות למדוד במדויק את משך החיים של נויטרון. זה מדבר על התגובה הרגשית מאוד של מדענים לחוסר העקביות בתחום הזה - 'אני רוצה סוף סוף לגלות'", מסכם ברוסארד. "כל מדען מונע על ידי הרצון ללמוד, הרצון להבין."
קרא גם
על כדור הארץ המאיים אסטרואיד אפופיס הבחין בתופעה מסוכנת. מה קורה?
מדענים גילו מדוע ילדים הם הנשאים המסוכנים ביותר של COVID-19
מה שגילוי הפארקר הסולארי גילה כשטס קרוב ככל האפשר לשמש