중성자 생명의 신비
중성자는 물질의 구성 요소 중 하나입니다. 이름 자체가 시사하는 바가 있다
그러나 중성자가 "붕괴"되는 데 얼마나 오랜 시간이 걸리는지는 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
측정 방법 중 하나는 887.7초 + 2.2초의 결과를 제공합니다.
또 다른 방법은 878.5 초 +/- 0.8 초를 표시합니다.
여기 과학자들을 혼란스럽게하는 9 초가 있습니다.
처음에는이 차이가측정 감도. 완벽하게 유효한 이론. 그러나 과학자들은 점점 더 정확한 일련의 실험을 계속하고 있으며 교활한 불일치는 여전히 남아 있습니다.
데이터 차이의 이러한 일관성은과학자들은 알려지지 않은 유형의 물리학에 대해 확신합니다. 이는 지금까지 알려지지 않은 중성자 붕괴 과정을 나타낼 수 있습니다. 또는 그러한 근본적인 불일치는 과학자들이 현재 모든 입자 물리학을 설명하기 위해 사용하는 표준 모델을 넘어서는 과학을 가리킬 수 있습니다. 결국, 표준 모델이 완전히 설명하지 못하는 현상이 많이 있습니다.
사실, 그것은 모든 것에 대한 이론은 아닙니다.암흑 물질, 암흑 에너지를 설명하지 않으며 중력을 포함하지 않습니다. 그러나 80년대 중반 중간 벡터 보손의 존재에 대한 실험적 확인으로 표준 모델의 구축이 완료되고 이를 주요 모델로 채택하게 되었습니다.
그러나 모델 확장의 필요성중성미자 진동이 발견 된 후 2002 년에 발생했습니다. 덧붙여서 Standard Model에서 예측 한 원소 입자의 실험적 검출을 완료 한 것은 2012 년 Higgs boson의 존재를 확인한 것입니다.
이상한 불일치를 해결하기 위해중성자 수명 미국 에너지부(DOE) 과학국은 다른 연방 기관, 국립 연구소 및 대학과 협력하고 있습니다.
왜 중성자를 연구합니까?
핵 물리학자는 시간을 처음으로 연구했습니다.중성자의 생명은 물리학에서 중요한 역할을하기 때문입니다. “자연에는 항상 중요한 몇 가지 근본적인 양이 있습니다. 그는 약 40 년 동안 대부분의 생애 동안 중성자 수명을 연구했습니다. "이론은왔다 갔다하지만 중성자 수명은 여전히 많은 프로세스의 중심에 있습니다."
사실, 중성자는 다음에 대한 유용한 안내자입니다.다른 입자에 대한 이해 이것은 가장 단순한 방사성 입자이므로 정기적으로 다른 입자로 붕괴됩니다. 따라서 과학자들에게 약력에 대한 좋은 아이디어를 제공하는 것은 중성자이며, 중성자가 양성자로 변할지 여부를 결정하는 바로 그 힘입니다. 종종 이 과정은 에너지를 방출하고 핵이 붕괴되도록 합니다. 약한 상호작용 과정은 두 양성자가 결합하는 핵융합에서도 중요한 역할을 합니다.
중성자 수명은 과학자들에게 빅뱅 직후 일어난 일에 대한 아이디어를 제공 할 수도 있습니다. 유혹하지 않습니까?
중성자 별 폭발 그림
교육 후 몇 초양성자와 중성자, 그러나 그것들이 원소로 결합되기 전에 시간이 시작되었습니다. 우주는 빠르게 냉각되고있었습니다. 어느 시점에서 그것은 너무 많이 냉각되어 양성자와 중성자가 거의 즉시 결합되어 헬륨과 수소를 형성했습니다. 중성자가 양성자로 조금 더 빠르거나 느리게 붕괴된다면 이것은 우주의 전체 과정에 큰 영향을 미칠 것입니다. 우주는 매우 다른 요소들의 균형을 가질 것입니다. 생명 자체가 전혀 존재하지 않을 가능성이 높습니다.
과학자들은 다음에 대해 한 자리 숫자를 얻기를 희망합니다.우주를 설명하는 다양한 방정식에 포함될 수 있도록 중성자 수명의 정의. 중성자 수명의 불확실성은 허용되지만 1 초 미만일 때입니다. 그러나 하나의 숫자에 대한 확신을 얻는 것은 물리학 자들이 예상했던 것보다 더 어려운 것으로 판명되었습니다.
중성자 수명은 표준 모델에서 가장 알려지지 않은 기본 매개 변수 중 하나입니다.
Zhaouen Tang은 미국 에너지부 로스앨러모스 국립연구소(LANL)의 물리학자입니다.
예, 물론 다양한 개인실험은 필요한 수준의 정확도를 달성 할 수있었습니다. 그러나 다른 유형의 실험 간의 불일치는 과학자들이 특정 중성자 수명을 결정하는 것을 방해합니다.
데이터 불일치가 발견 된 방법
어떤 것이 있는지 알아내는데이터의 차이는 우주에 관한 모든 질문에 대한 답을 제공하려는 물리학 자들의 욕구로 인해 발생했습니다. 두 가지 이상의 방법을 사용하여 동일한 양을 측정하는 것이 정확한 측정을 보장하는 가장 좋은 방법입니다. 그러나 과학자들은 중성자가 얼마나 빨리 붕괴되는지 확인하기 위해 타이머를 설정할 수 없습니다. 대신, 그들은 수명을 계산하기 위해 붕괴 전후의 중성자를 측정하는 방법을 찾습니다.
그리고 이것이 주요 문제입니다.
물리학 자들이 원자핵에서 중성자를 뜯어 내면병에 넣고 얼마 후에 얼마나 많은 중성자가 남아 있을지 세어 보면, 그들은 중성자가 평균 14 분 39 초 후에 방사능 붕괴를 겪는다고 가정합니다. 그러나 다른 물리학 자들이 중성자 빔을 만들고 나타나는 양성자 수 (자유 중성자의 붕괴 생성물 인 입자)를 세면 평균 수명이 약 14 분 48 초입니다.
"병"과 "빔"의 측정치 간의 불일치는 여전히 지속됩니다.
"병"의 측정치와"광선"은 중성자 수명을 계산하는 방법이 1990 년대에 결과를 산출하기 시작한 때부터 존재 해 왔습니다. 처음에는 모든 측정이 너무 정확하지 않아 아무도 걱정하지 않았습니다. 그러나 점차적으로 두 방법 모두 개선되었고 여전히 추정치가 달랐습니다.
빔 실험에서는 기계가 사용됩니다.중성자 플럭스를 생성합니다. 과학자들은 빔의 특정 부피에서 중성자의 수를 측정합니다. 그런 다음 자기장을 통해 흐름을 전기장과 자기장에 의해 형성된 입자 트랩으로 보냅니다. 중성자는 물리학 자들이 남겨진 양성자의 양을 측정하는 함정에서 붕괴됩니다.
빔 방식에 사용되는 국립 표준 기술 연구소의 양성자 검출기.
반대로 병 실험은컨테이너의 초저온 중성자. 초저온 중성자는 핵분열 반응으로 인한 초당 천만 미터에 비해 초당 몇 미터의 일반 중성자보다 훨씬 느리게 움직입니다. 과학자들은 먼저 컨테이너에 얼마나 많은 중성자가 있는지 측정 한 다음 일정 시간 후에 다시 측정합니다. 차이를 연구함으로써 중성자가 얼마나 빨리 붕괴되는지 계산할 수 있습니다.
중성자 수명을 측정하기 위해 병 방법을 사용하여 Los Alamos의 UNCtau에서 실험
“병 실험에서 그들은 측정합니다."생존자"는 방사선 실험에서 "죽었습니다"라고 Green은 설명합니다. “병 실험은 쉬운 것 같지만 실제로는 매우 어렵습니다. 반면에 광선을 이용한 실험은 복잡해 보이고 실제로 실행하기도 어렵습니다.”
Green과 그의 동료들은 다음과 같은 새로운 측정을 수행했습니다.2013년 NIST에서 이를 통해 2005년 같은 실험실에서 수행한 빔 실험을 훨씬 더 정확하게 재계산하는 데 도움이 되었습니다. 현재 과학자들은 5개의 병 실험과 2개의 뭉치로. Green은 이전 빔 실험에서 불확실성의 가장 큰 원인 중 하나가 누락되었다고 확신했습니다. 즉, 빔의 중성자 수를 정확하게 계산합니다. 물리학자들은 이 변수의 측정을 개선하여 5배 더 정확해졌습니다. 그러나 8년 동안 열심히 일했지만 그들에게는 아무것도 남지 않았습니다. 보다 정확하게는 결과의 차이가 동일합니다.
실험에 참여하는 과학자자신의 어려움에 직면했습니다. 가장 큰 측정 문제 중 하나는 용기를 만드는 재료와 상호 작용할 때 중성자의 손실을 방지하는 것이 었습니다. 누출은 붕괴가 끝날 때 중성자의 수를 변경하고 계산을 방해합니다.
이 문제를 해결하기 위해 마지막에는미국 과학부가 지원한 LANL의 병 실험은 물리적인 벽을 제거했습니다. 대신, 핵 물리학자들은 자기장과 중력을 사용하여 중성자를 제자리에 고정했습니다.
“우리가 이렇게하면빔 실험의 결과로 중성자를 더 오래 살 수 있고 중성자 수명에 동의 할 수 있습니다.”라고 실험을 주도한 인디애나 대학교의여 교수 Chen-Yu Liu가 말했습니다. "그것은 내 개인적인 편견이었다."
그러나 차이는 남아 있습니다.그녀는 2018 년에 발표 된 결과를 언급하며“저에게 큰 충격이었습니다.”라고 나중에 인정했습니다. 그 차이가 우연에 기인 할 확률은 10,000 분의 1 미만이지만 여전히 실험적 오류로 인한 것일 수 있습니다.
오류가 발생하는 이유는 무엇입니까?
과학자들은 두 가지 유형에 직면합니다실험의 불확실성 또는 오류 : 통계적 또는 체계적. 데이터가 부족하면 통계 오류가 발생합니다. 이것은 우리가 확고한 결론을 내리는 것을 방해합니다. 빅 데이터를 얻으면 오류가 줄어 듭니다.
체계적인 오류는 기본입니다실험의 불확실성. 그건 그렇고, 그들은 종종 분명하지 않습니다. 두 가지 유형의 중성자 수명 실험은 완전히 다른 잠재적 인 계통 오류를 가지고 있습니다. 결과가 같으면 실험은 서로에 대한 훌륭한 테스트가 될 것입니다. 그러나 그것은 일어나지 않습니다.
"중성자 수명 측정에서 가장 어려운 것은-그것은 너무 짧고 너무 길다는 것입니다.”라고 Hoogheide는 말합니다. "15 분은 물리학에서 측정하는 데 정말 불편한 시간입니다."
따라서 원자력 과학자들은 추가 데이터를 수집하고 체계적인 오류를 최소화하기 위해 계속 노력하고 있습니다.
수직-중성자 수명 (초). 빨간색은 광선, 파란색-병으로 실험 결과를 표시합니다.
“내가 가장 좋아하는 것 중 하나는제 분야에서는 세부 사항에 대한 특별한 관심과 신뢰할 수있는 측정을 위해 실험의 모든 측면을 얼마나 깊이 이해해야하는지에 대한 것입니다.”라고 ORNL의 핵 물리학자인 Leah Broussard는 말했습니다.
NIST, Hoogerheide, Green 및 기타 과학자가능한 모든 문제를 최대한 완벽하게 탐구하는 새로운 빔 실험을 수행하고 있습니다. 안타깝게도 각 실험의 각 설정은 후속 결과에 영향을 미치기 때문에 이 작업은 "2보 전진, 1보 후퇴" 시스템을 기반으로 합니다.
다른 연구는 중성자의 수명을 측정하는 새로운 방법을 찾는 것을 목표로 하고 있습니다.
Johns Hopkins University의 연구원 및미국 에너지 부 (Department of Energy)의 지원을 받아 영국 Durham University는 NASA 데이터를 사용하여 중성자 수명을 측정하는 방법을 알아 냈습니다. 금성과 수성에서 나오는 중성자를 기반으로 그들은 130 초의 오차로 780 초의 수명을 계산했습니다. 그러나 데이터 수집은 이러한 목적을위한 것이 아니기 때문에 불확실성이 너무 높아 입자 수명의 차이를 결정할 수 없습니다. Los Alamos National Laboratory의 물리학자인 Zhaouen Tang은 병과 빔 실험을 교차하는 실험을 설정합니다. 마지막에 양성자를 측정하는 대신 전자를 측정합니다.
완전히 새로운 접근 방식. 하지만 다른 모든 옵션이 저절로 소진 된 것 같습니까?
아니면?
새로운 이론. 급진적인 아이디어에서 SF까지
물론 측정의 차이가이 기본 입자 인 중성자에 대한 지식의 차이를 직접적으로 나타낼 가능성이 항상 있습니다.
Tang은 그만둘 계획이 없다고 인정했습니다.실험. "뭔가 특별한 것을 관찰한 다음 그것을 충분히 열심히 일하지 않은 실수 때문이라고 비난하는 사람들의 예가 너무 많습니다." 그리고 다른 누군가가 일해서 노벨상을 받았습니다.”
중성자 생명의 신비에 대한 한 가지 이론은 다음과 같습니다.과학자들이 전혀 알지 못하는 방식으로 그것이 파괴된다는 것입니다. 그것은 양성자, 전자, 반중성미자의 친숙한 조합과 다른 입자로 붕괴될 수 있습니다. 그렇다면 이것은 중성자가 왜 존재하는지 설명합니다.병 실험에서 사라지고하지만 그에 상응하는 금액양성자는 빔 실험에서 검출되지 않습니다.
다른 아이디어는 훨씬 더 급진적입니다.
일부 이론가들은 중성자가감마선과 신비한 암흑 물질로 붕괴됩니다. 암흑 물질은 우주 물질의 75 %를 차지하지만 과학자들이 아는 한 중력을 통해서만 일반 물질과 상호 작용합니다. 이 이론을 테스트하기 위해 LANL의 과학자 그룹은 중성자와 감마선을 측정하는 병 실험 버전을 실행했습니다. 그러나 제안 된 감마선은 구체화되지 않았으며 과학자들은 중성자에서 암흑 물질이 출현했다는 증거가 없습니다.
거울 물질은 또 다른 가능성이다공상 과학 소설처럼 들리는 개념. 이론적으로 "잃어버린" 중성자는 거울 중성자, 즉 반대편 우주에 존재하는 정확한 복사본으로 바뀔 수 있습니다. 우리 우주와 다르게 발전하는 이 거울 우주는 훨씬 더 차갑고 헬륨이 그 안에서 우세할 것입니다. 그린과 같은 일부 핵 과학자들은 그것이 "타당하지 않다"고 생각하는 반면, 다른 사람들은 "만일의 경우"에 대비해 이론을 테스트하는 데 관심이 있습니다.
“이것은 상대적으로 미지의 영역입니다.내 뒷마당에 훌륭한 중성자 소스가 있기 때문에 그것은 나에게 매우 매력적으로 들립니다.”라고 Leah Broussard는 에너지부 과학국이 소유한 파쇄 중성자 소스와 고자속 동위원소를 언급하면서 말했습니다. ORNL.
왼쪽에서 오른쪽으로:ORNL 협력자 인 Matthew Frost와 Leah Broussard는 반사 중성자를 검색하는 데 사용되는 핵분열 중성자 소스의 자기 반사 계를 연구하고 있습니다. 출처 : Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, 미국 에너지 부.
이 이론을 테스트하기 위해 Broussard는빔 수명 실험을 시뮬레이션하지만 잠재적 인 보이지 않는 중성자 파트너의 시그니처를 포착하도록 조정 된 프로세스의 데이터. 특정 자기장을 통해 중성자 빔을 발사 한 다음 정상적인 중성자를 차단하는 물질로 차단함으로써 그녀와 동료들은 거울 중성자가 존재하는지 확인할 수 있습니다.
결과가 무엇이든 간에 이 일이 발생했습니다.실험, 중성자 수명을 결정하는 작업은 계속될 것입니다. “중성자의 수명을 정확하게 측정하려는 시도가 이렇게 많다는 것은 매우 의미 있는 일입니다. 이는 이 분야의 불일치에 대한 과학자들의 매우 감정적인 반응을 말해줍니다. '드디어 알아내고 싶습니다!'" Broussard는 결론을 내렸습니다. “모든 과학자는 배우고자 하는 욕구, 이해하려는 욕구에 의해 동기를 부여받습니다.”
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