中性子の生命の謎
中性子は物質の構成要素の 1 つです。名前自体が示唆しています
しかし、中性子が「バラバラ」になるまでにどれくらいの時間がかかるのかは依然として謎のままです。その理由は次のとおりです。
ある測定方法では、887.7秒プラスマイナス2.2秒という結果が得られます。
別の方法では、878.5秒プラスマイナス0.8秒が表示されます。
これが、科学者を混乱させる同じ9秒です。
最初は、この違いは測定感度。完全に有効な理論。しかし、科学者たちはますます正確な一連の実験を続けており、陰湿な矛盾は依然として残っています。
データの差異におけるこの一貫性は、明らかに次のことを示しています。科学者たちは、未知の種類の物理学に影響を及ぼしていると確信しています。これは、これまで知られていなかった中性子の崩壊過程を示している可能性があります。あるいは、そのような根本的な矛盾は、科学者が素粒子物理学すべてを説明するために現在使用している標準モデルを超えた科学を示している可能性があります。結局のところ、標準モデルでは完全には説明できない現象が数多くあります。
実際、それはすべての理論ではありません。暗黒物質や暗黒エネルギーについては記述されておらず、重力も含まれていません。しかし、1980 年代半ばに中間ベクトルボソンの存在が実験的に確認されたことで、標準モデルの構築が完了し、その標準モデルが主要なモデルとして受け入れられました。
それでも、モデルを拡張する必要性ニュートリノ振動の発見後、2002年に発生しました。ちなみに、標準モデルで予測された元素粒子の実験的検出を完了したのは、2012年のヒッグスボソンの存在の確認でした。
奇妙な矛盾を解明するには中性子の寿命 米国エネルギー省 (DOE) 科学局は、他の連邦機関、国立研究所、大学と協力しています。
なぜ中性子を研究するのですか？
核物理学者は最初に時間を研究しました物理学におけるその重要な役割のための中性子の寿命。 「自然界には常に重要な基本的な量がいくつかあります」と、テネシー大学のエネルギー学部のオークリッジ国立研究所の教授兼物理学者であるジェフグリーンは説明します。彼は彼の人生のほとんど-約40年の間中性子寿命を研究しました。 「理論は行き来しますが、中性子の寿命は多くのプロセスの中心であり続けます。」
実際、中性子は次の点に役立つガイドです。他の粒子の理解。これは最も単純な放射性粒子であるため、定期的に崩壊して他の粒子になります。したがって、科学者に中性子が陽子に変わるかどうかを決定する弱い力についての良いアイデアを与えるのは中性子です。多くの場合、このプロセスによりエネルギーが放出され、原子核が崩壊します。弱い相互作用プロセスも、2 つの陽子が結合する核融合において重要な役割を果たします。
中性子の寿命はまた、科学者にビッグバンの直後に何が起こったのかについての考えを与えることができます。魅力的ですね。
中性子星爆発図
教育後わずか数秒陽子と中性子、しかしそれらが要素に結合する前に、時間が始まりました。宇宙は急速に冷えていました。ある時点で、それは非常に冷えたので、プロトンと中性子はほぼ瞬時に結合してヘリウムと水素を形成しました。中性子が少し速くまたは遅くプロトンに崩壊した場合、これは宇宙のプロセス全体に大きな影響を及ぼします。宇宙は要素の非常に異なるバランスを持っているでしょう。生命そのものはまったく存在しない可能性があります。
科学者は、1桁の数字を取得したいと考えています宇宙を説明するさまざまな方程式に含めることができるように、中性子寿命の定義。中性子寿命の不確実性は許容できますが、1秒未満の場合。ただし、1つの数値だけを確実にすることは、物理学者が予想したよりも難しいことが判明しました。
中性子寿命は、標準モデルの最も知られていない基本的なパラメータの1つです。
Zhaouen Tang は、米国エネルギー省ロスアラモス国立研究所 (LANL) の物理学者です。
はい、もちろん、さまざまな個人実験は必要なレベルの精度を達成することができました。しかし、異なるタイプの実験間の不一致は、科学者が特定の中性子寿命数を決定することを妨げます。
データの不整合がどのように発見されたか
何かがあることを見つけるデータの違いは、宇宙に関するすべての質問に答えたいという物理学者の願望のために生じました。 2つ以上の方法を使用して同じ量を測定することが、正確な測定を保証するための最良の方法です。しかし、科学者は中性子にタイマーを設定して、それらがどれだけ速く減衰するかを確認することはできません。代わりに、彼らは彼らの寿命を計算するために彼らが崩壊する前後に中性子を測定する方法を見つけます。
そしてこれが主な問題です。
物理学者が原子核から中性子を引き裂くとき、彼らはそれらをボトルに入れ、時間の経過とともにそこに残る中性子の数を数えます。彼らは、中性子が平均して14分39秒後に放射性崩壊を受けると仮定しています。しかし、他の物理学者が中性子のビームを作成し、出現するプロトンの数（自由中性子の崩壊生成物である粒子）を数えると、平均寿命は約14分48秒になります。
「ボトル」と「ビーム」の測定値の不一致は依然として残っています。
「ボトル」との測定値の不一致「光線」は、1990年代に中性子寿命の計算方法が結果を出し始めた頃から存在しています。最初は、すべての測定値が非常に不正確だったため、誰も心配していませんでした。しかし、徐々に両方の方法が改善され、それでも見積もりが異なっていました。
ビーム実験では、機械が使用されます中性子のフラックスを作成します。科学者は、ビームの特定のボリューム内の中性子の数を測定します。次に、磁場を通る流れを、電場と磁場によって形成された粒子トラップに向けます。中性子は、物理学者が残されたプロトンの量を測定するトラップで崩壊します。
ビーム法で使用される国立標準技術研究所のプロトン検出器。
それどころか、ボトル実験はコンテナ内の超低温中性子。超低温中性子は通常の中性子よりもはるかにゆっくりと移動します-核分裂反応からの毎秒1000万メートルと比較して、毎秒数メートル。科学者は、最初にコンテナ内にある中性子の数を測定し、次に一定期間後に再び測定します。違いを研究することにより、彼らは中性子がどれだけ速く減衰したかを計算することができます。
ボトル法を使用してロスアラモスのUNCtauで実験し、中性子寿命を測定します
「ボトルの実験では、放射線実験では「生存者」は「死んだ」のです」とグリーン氏は説明する。 「ボトルの実験は簡単そうに見えて、実はとても難しいんです。一方で、光線の実験というと難しそうに聞こえますし、実際に行うのも難しいです。」
グリーンと彼の共同研究者は、新しい測定を実施しました。これは、2005 年に同じ研究室で実施したビーム実験をさらに正確に再計算するのに役立ちました。現時点で、科学者は 5 つのボトル実験と 2 つの実験を完了しました。束で。グリーン氏は、これまでのビーム実験には最大の不確実性の原因の 1 つが欠けていたと確信していました。つまり、ビームの中の中性子の数を正確に数えることです。物理学者はこの変数の測定を改良し、5 倍の精度を実現しました。しかし、8年間の努力の結果、彼らには何も残されませんでした。より正確に言えば、結果には同じ差があります。
で実験に取り組んでいる科学者ボトルは、彼ら自身の困難に直面しました。最大の測定課題の1つは、コンテナを構成する材料と相互作用するときに中性子が失われるのを防ぐことでした。リークは減衰の終わりに中性子の数を変化させ、計算を妨害します。
この問題を解決するには、最後に、米国科学省の支援を受けた LANL のボトル実験では、物理的な壁が排除されました。代わりに、核物理学者は磁場と重力を利用して中性子を所定の位置に保持しました。
「これをやれば、私たちはビーム実験の結果、中性子の寿命を延ばし、中性子の寿命に合わせることができます」と、実験を主導したインディアナ大学の女性教授、Chen-YuLiu氏は述べています。 「それは私の個人的な偏見でした。」
しかし、違いは残っています。「それは私にとって大きなショックでした」と彼女は後に、2018年に発表された結果を参照して認めました。違いが偶然によるものである可能性は10,000分の1未満です。しかし、これはまだ実験誤差による可能性があります。
エラーが発生するのはなぜですか？
科学者は2つのタイプに直面します実験における不確実性またはエラー：統計的または体系的。統計エラーは、不十分なデータから発生します。これにより、確固たる結論を導き出すことができなくなります。ビッグデータを取得すると、エラーが減少します。
体系的なエラーは基本的です実験の不確実性。ちなみに、それらはしばしば明白ではありません。 2種類の中性子寿命実験には、完全に異なる潜在的な系統誤差があります。結果が同じであれば、実験はお互いの優れたテストになります。しかし、それは起こりません。
「中性子寿命を測定する上で最も難しいこと-短すぎることも長すぎることもあります」とHoogheide氏は言います。 「15分は物理学で測定するのに本当に不便な時間であることがわかりました。」
したがって、核科学者は、追加のデータを収集し、体系的なエラーを最小限に抑えるために引き続き取り組んでいます。
垂直-秒単位の中性子寿命。赤は光線を使った実験の結果を示し、青はボトルを使った実験の結果を示しています。
「私が最も好きなものの1つ私の分野では、細部への特別な注意と、信頼性の高い測定を行うために実験のあらゆる側面をどれだけ深く理解する必要があるかを理解する必要があります」とORNLの核物理学者であるLeahBroussardは認めています。
NIST では、フーガーハイデ、グリーン、その他の科学者現在、考えられるすべての問題を可能な限り完全に調査する新しいビーム実験を行っています。残念ながら、各実験の各設定はその後の結果に影響を与えるため、この作業は「2 歩進んで 1 歩下がる」システムに基づいています。
他の研究は、中性子の寿命を測定する新しい方法を見つけることを目的としています。
ジョンズホプキンス大学の研究者と英国のダーラム大学は、米国エネルギー省の支援を受けて、NASAデータを使用して中性子寿命を測定する方法を考え出しました。金星と水星から発せられる中性子に基づいて、彼らは130秒の誤差で780秒の寿命を計算しました。ただし、データ収集はこの目的を目的としていないため、不確実性が高すぎて粒子寿命の違いを判断できません。ロスアラモス国立研究所の物理学者であるZhaouenTangは、ボトル実験とビーム実験を組み合わせた実験を設定しました。最後にプロトンを測定する代わりに、電子を測定します。
まったく新しいアプローチ。しかし、他のすべてのオプションが使い果たされたように見えますか？
か否か？
新しい理論。過激なアイデアからSFまで
もちろん、測定値の違いが、この基本的な粒子である中性子に関する知識のギャップを直接示している可能性は常にあります。
タン氏は辞めるつもりはないと認めた実験。 「何か異常なことを観察して、それを単に努力が足りなかった間違いのせいにした人々の例はたくさんあります。」そして別の人が働いてノーベル賞を受賞しました。」
中性子の寿命の謎についての一つの理論は次のとおりです。それは科学者が知らない方法で破壊されるということです。それは陽子、電子、反ニュートリノのよく知られた組み合わせとは異なる粒子に崩壊する可能性があります。もしそうなら、中性子が存在する理由が説明されます。ボトルを使った実験で消える、しかし、それに相当する金額ビーム実験ではプロトンは検出されません。
さらに過激なアイデアもあります。
一部の理論家は、中性子がガンマ線と神秘的な暗黒物質に崩壊します。ダークマターは宇宙のマターの75％を占めていますが、科学者が知る限り、重力によってのみ通常のマターと相互作用します。この理論をテストするために、LANLの科学者のグループは、中性子とガンマ線を測定するボトル実験のバージョンを実行しました。しかし、提案されたガンマ線は実現せず、科学者は中性子からの暗黒物質の出現の証拠を持っていません。
ミラーマターも考えられますサイエンスフィクションのように聞こえるコンセプト。理論的には、「失われた」中性子はミラー中性子、つまり反対側の宇宙に存在する正確なコピーに変わる可能性があります。私たちの宇宙とは異なる発展を遂げているこの鏡のような宇宙は、はるかに寒く、ヘリウムが優勢になるでしょう。グリーン氏のような核科学者の中には「ありえない」と考える人もいるが、「念のため」この理論を検証することに興味を持っている人もいる。
「これは比較的未知の領域です。私の裏庭には素晴らしい中性子源があるので、これは私にとって非常に魅力的に思えます」と、エネルギー省科学局が所有する破砕中性子源と高束同位体炉について言及したリア・ブルサード氏は語った。
左から右へ：ORNLの共同研究者であるMatthewFrostとLeahBroussardは、鏡面中性子の検索に使用される核分裂中性子源の磁気反射率計に取り組んでいます。クレジット：Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory、US Department ofEnergy。
この理論をテストするために、Broussardは分析しますビーム寿命実験をシミュレートするが、潜在的な目に見えない中性子パートナーの署名をキャプチャするように調整されたプロセスからのデータ。特定の磁場を通して中性子のビームを発射し、次に通常の中性子を止める材料でそれを止めることによって、彼女と彼女の同僚は鏡の中性子が存在するかどうかを決定することができるかもしれません。
どのような結果がこれをもたらしたとしても実験、中性子の寿命を決定する研究は今後も継続されます。 「中性子の寿命を正確に測定する試みがこれほど多く行われていることは非常に重要です。これは、この分野の矛盾に対する科学者の非常に感情的な反応を物語っています――「最終的に解明したいのです！」」とブルサール氏は結論づけています。 「すべての科学者は学びたいという欲求、理解したいという欲求によって動機付けられています。」
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