Neutrono gyvenimo paslaptis
Neutronas yra vienas iš materijos statybinių blokų. Pats pavadinimas rodo
Tačiau kiek laiko užtrunka, kol neutronas „suirsta“, lieka paslaptis. Ir štai kodėl.
Vienas iš matavimo metodų duoda rezultatą 887,7 sekundės, plius minus 2,2 sekundės.
Kitas metodas rodo 878,5 sekundės, plius minus 0,8 sekundės.
Štai jie, tos pačios devynios sekundės, klaidinančios mokslininkus.
Iš pradžių atrodė, kad šį skirtumą lemiamatavimo jautrumas. Puikiai pagrįsta teorija. Tačiau mokslininkai ir toliau atlieka vis tikslesnių eksperimentų seriją, o klastingas neatitikimas vis dar išlieka.
Šis duomenų skirtumo nuoseklumas aiškiai rodoMokslininkai įsitikinę, kad kažkokiam nežinomam fizikos tipui. Tai gali rodyti iki šiol nežinomą neutronų skilimo procesą. Arba toks esminis neatitikimas gali reikšti mokslą, viršijantį standartinį modelį, kurį mokslininkai šiuo metu naudoja aiškindami visą dalelių fiziką. Juk yra nemažai reiškinių, kurių standartinis modelis iki galo nepaaiškina.
Tiesą sakant, tai nėra visko teorija, nesneaprašo tamsiosios materijos, tamsiosios energijos ir neapima gravitacijos. Tačiau eksperimentinis tarpinių vektorių bozonų egzistavimo patvirtinimas devintojo dešimtmečio viduryje užbaigė standartinio modelio sukūrimą ir jo pripažinimą pagrindiniu.
Ir vis dėlto reikia išplėsti modelįatsirado 2002 m., atradus neutrino virpesius. Beje, būtent Higgso bozono egzistavimo patvirtinimas 2012 m. Užbaigė eksperimentinį elementariųjų dalelių nustatymą, numatytą standartiniame modelyje.
Norėdami išspręsti keistą neatitikimąneutronų tarnavimo laikas JAV Energetikos departamento (DOE) mokslo biuras bendradarbiauja su kitomis federalinėmis agentūromis, nacionalinėmis laboratorijomis ir universitetais.
Kodėl reikia tirti neutroną?
Pirmieji laiką tyrė branduoliniai fizikaineutrono gyvenimą dėl svarbaus vaidmens fizikoje. "Gamtoje yra keletas pagrindinių kiekių, kurie visada yra svarbūs", - aiškina Jeffas Greenas, Tenesio universiteto profesorius ir fizikas iš Oak Ridge nacionalinės laboratorijos prie Energetikos departamento. Jis tyrė neutronų gyvenimo trukmę beveik visą savo gyvenimą - apie 40 metų. "Teorijos ateina ir praeina, tačiau daugelio procesų metu neutronų tarnavimo laikas išlieka pagrindinis."
Tiesą sakant, neutronas yra naudingas vadovaskitų dalelių supratimas. Tai paprasčiausia radioaktyvioji dalelė, todėl reguliariai skyla į kitas daleles. Taigi, būtent neutronas suteikia mokslininkams gerą supratimą apie silpnąją jėgą, kuri lemia, ar neutronai virsta protonais, ar ne. Dažnai šis procesas išskiria energiją ir sukelia branduolių irimą. Silpnos sąveikos procesai taip pat vaidina svarbų vaidmenį branduolių sintezėje, kai susijungia du protonai.
Neutrono gyvenimas taip pat gali suteikti mokslininkams idėją, kas įvyko iškart po Didžiojo sprogimo. Viliojanti, ar ne?
Neutroninės žvaigždės sprogimo iliustracija
Vos sekundės po išsilavinimoprotonų ir neutronų, tačiau prieš jiems susijungiant į elementus, prasidėjo laikas. Visata greitai atvėso. Tam tikru momentu jis tiek atvėso, kad protonai ir neutronai beveik akimirksniu susijungė ir sudarė helį ir vandenilį. Jei neutronai suyra į protonus šiek tiek greičiau ar lėčiau, tai turėtų didžiulę įtaką visatos procesui. Visata turėtų labai skirtingą elementų pusiausvyrą; tikėtina, kad pats gyvenimas apskritai neegzistuotų.
Mokslininkai tikisi gauti vienaženklį skaičiųneutrono gyvenimo trukmės apibrėžimas, kad jį būtų galima įtraukti į įvairias Visatą apibūdinančias lygtis. Neutronų gyvenimo trukmės neapibrėžtumas yra priimtinas, bet kai jis yra mažesnis nei sekundė. Tačiau įrodyti, kad buvo tik vienas skaičius, pasirodė sunkiau, nei tikėjosi fizikai.
Neutronų gyvenimo trukmė yra vienas iš mažiausiai žinomų pagrindinių standartinio modelio parametrų.
Zhaouen Tang yra JAV Energetikos departamento Los Alamos nacionalinės laboratorijos (LANL) fizikas.
Taip, žinoma, įvairus asmuoeksperimentais pavyko pasiekti reikiamą tikslumo lygį. Tačiau skirtingų tipų eksperimentų neatitikimas trukdo mokslininkams nustatyti konkretų neutronų gyvybės skaičių.
Kaip buvo nustatytas duomenų neatitikimas
Sužinojus, kad jų yraduomenų skirtumas atsirado dėl fizikų noro pateikti atsakymus į visus klausimus apie Visatą. Dviejų ar daugiau metodų naudojimas tam pačiam kiekiui matuoti yra geriausias būdas užtikrinti tikslų matavimą. Tačiau mokslininkai negali nustatyti neutronų laikmačių, kad sužinotų, kaip greitai jie suyra. Vietoj to, jie suranda būdų išmatuoti neutronus prieš ir po jų irimo, kad apskaičiuotų jų gyvenimo trukmę.
Ir tai yra pagrindinė problema.
Kai fizikai atplėšia neutronus iš atominių branduolių,įdėkite juos į butelį ir suskaičiuokite, kiek neutronų jame liks po tam tikro laiko, jie daro prielaidą, kad neutronai vidutiniškai radioaktyviai skyla po 14 minučių 39 sekundžių. Bet kai kiti fizikai sukuria neutronų pluoštus ir suskaičiuoja pasirodžiusių protonų skaičių - daleles, kurios yra laisvųjų neutronų skilimo produktai, jų vidutinis gyvenimo laikas yra maždaug 14 minučių 48 sekundės.
„Butelio“ ir „sijos“ matavimų neatitikimas išlieka iki šiol.
Skirtumų tarp matavimų "butelyje" ir„Spindulys“ egzistuoja nuo tų laikų, kai neutronų gyvenimo trukmės skaičiavimo metodai pradėjo duoti rezultatų 1990-aisiais. Iš pradžių visi matavimai buvo tokie netikslūs, kad niekas dėl to nesijaudino. Tačiau palaipsniui abu metodai tobulėjo ir vis tiek skyrėsi.
Eksperimentuose su spinduliais naudojamos mašinoskurie sukuria neutronų srautus. Mokslininkai matuoja neutronų skaičių konkrečiame pluošto tūryje. Tada jie nukreipia srautą per magnetinį lauką į dalelių gaudyklę, kurią sudaro elektrinis ir magnetinis laukai. Neutronai suyra spąstuose, kur fizikai išmatuoja likusių protonų kiekį.
Protonų detektorius Nacionaliniame standartų ir technologijų institute, naudojamas pluošto metodu.
Atvirkščiai, eksperimentai su buteliais pagaunaultracold neutronai talpykloje. Itin šalti neutronai juda daug lėčiau nei įprasti neutronai - keli metrai per sekundę, palyginti su 10 milijonų metrų per sekundę skilimo reakcijomis. Mokslininkai pirmiausia išmatuoja, kiek neutronų yra talpykloje, o po to vėl po tam tikro laiko. Ištyrę skirtumą, jie gali apskaičiuoti, kaip greitai neutronai suyra.
Eksperimentuokite UNCtau Los Alamos mieste, naudodami butelio metodą neutronų gyvavimo trukmei išmatuoti
„Butelio eksperimente jie matuoja„Išgyvenusieji“ yra „mirę“ radiacijos eksperimente“, – aiškina Greenas. „Butelio eksperimentas skamba lengvai, bet iš tikrųjų yra labai sunkus. Kita vertus, eksperimentas su spinduliais skamba sudėtingai ir iš tikrųjų jį taip pat sunku atlikti.
Greenas ir jo bendradarbiai atliko naujus matavimus2013 m. NIST, o tai padėjo jiems dar tiksliau perskaičiuoti spindulio eksperimentą, kurį jie atliko toje pačioje laboratorijoje 2005 m. Šiuo metu mokslininkai baigė penkis butelių eksperimentus ir du su kekėmis. Greenas buvo įsitikinęs, kad ankstesniuose spindulių eksperimentuose trūko vieno didžiausių neapibrėžtumo šaltinių. Būtent, tikslus neutronų skaičiaus pluošte skaičiavimas. Fizikai patobulino šio kintamojo matavimus, kad jie būtų penkis kartus tikslesni. Tačiau aštuoneri metai sunkaus darbo nepaliko nieko. Tiksliau, su tuo pačiu rezultatų atotrūkiu.
Mokslininkai dirba su eksperimentaisbutelių, susidūrė su savo sunkumais. Vienas iš didžiausių matavimo iššūkių buvo užkirsti kelią neutronų praradimui sąveikaujant su medžiaga, iš kurios pagamintas indas. Nutekėjimas keičia neutronų skaičių skilimo pabaigoje ir trukdo skaičiavimams.
Norėdami išspręsti šią problemą, paskutinėjeLANL butelių eksperimentas, kurį palaikė JAV mokslo departamentas, pašalino fizines sienas. Vietoj to, branduoliniai fizikai naudojo magnetinius laukus ir gravitaciją, kad išlaikytų neutronus.
„Buvau įsitikinęs, kad jei mes tai padarėme, mesmes galime priversti neutroną gyventi ilgiau ir sutikti su neutronų gyvavimo laiku dėl pluošto eksperimentų “, - sakė eksperimentui vadovavusi Indianos universiteto profesorė Chen-Yu Liu. - Tai buvo mano asmeninis šališkumas.
Tačiau skirtumas išlieka."Tai man buvo didelis šokas", - vėliau prisipažino ji, remdamasi rezultatais, paskelbtais 2018 m. Tikimybė, kad skirtumas atsiras dėl atsitiktinumo, yra mažesnis nei vienas iš 10 000. Tačiau tai vis tiek gali būti dėl eksperimentinės klaidos.
Kodėl įvyksta klaida?
Mokslininkai susiduria su dviem tipaisneapibrėžtumas ar klaidos eksperimentuose: statistiniai arba sisteminiai. Statistinės klaidos atsiranda dėl nepakankamo duomenų. Tai trukdo daryti tvirtas išvadas. Didelių duomenų gavimas sumažina klaidų skaičių.
Sisteminės klaidos yra esminėseksperimento neapibrėžtumas. Beje, jie dažnai nėra akivaizdūs. Dviejų tipų neutronų gyvavimo trukmės eksperimentai turi visiškai skirtingas sistemines klaidas. Jei rezultatai būtų vienodi, eksperimentai būtų puikus vienas kito išbandymas. Bet taip neatsitinka.
„Sunkiausia matuoti neutronų gyvenimo trukmę- tai yra ir per trumpas, ir per ilgas “, - sako Hoogheide. - Pasirodo, kad 15 minučių yra tikrai nepatogus laikas matuoti fizikoje.
Todėl branduolinės energetikos mokslininkai ir toliau stengiasi rinkti papildomus duomenis ir sumažinti sistemines klaidas.
Vertikalus - neutronų gyvenimo trukmė sekundėmis. Raudona žymi eksperimentų su spinduliais rezultatus, mėlyna - su buteliais.
„Vienas iš dalykų, kuris man labiausiai patinkamano srityje tai nepaprastas dėmesys detalėms ir tai, kaip giliai turite suprasti kiekvieną savo eksperimento aspektą, kad galėtumėte atlikti patikimą matavimą “, - sakė Leah Broussard, ORNL branduolio fizikė.
NIST, Hoogerheide, Green ir kiti mokslininkaiatlieka naują pluošto eksperimentą, kuris kiek įmanoma išsamiau ištiria visas įmanomas problemas. Deja, kiekvienas kiekvieno eksperimento nustatymas turi įtakos tolesniems rezultatams, todėl šis darbas pagrįstas „du žingsniai pirmyn, vienas žingsnis atgal“ sistema.
Kitu darbu siekiama rasti naujų būdų, kaip išmatuoti neutrono gyvavimo trukmę.
Mokslininkai iš Johns Hopkins universiteto irDurhamo universitetas (JK), remiamas JAV energetikos departamento, sugalvojo, kaip naudoti NASA duomenis neutronų gyvenimo trukmei išmatuoti. Remdamiesi iš Veneros ir Merkurijaus sklindančiais neutronais, jie apskaičiavo 780 sekundžių gyvenimo trukmę su 130 sekundžių paklaida. Kadangi duomenys nėra skirti šiam tikslui, neapibrėžtumas yra per didelis, kad būtų galima nustatyti dalelių gyvenimo skirtumą. Los Alamoso nacionalinės laboratorijos fizikas Zhaouenas Tangas parengia eksperimentą, kuris yra butelių ir spindulių eksperimentų kryžius. Užuot matavęs protonus gale, jis matuos elektronus.
Visiškai naujas požiūris. Bet panašu, kad visos kitos galimybės save išnaudojo?
Arba ne?
Naujos teorijos. Nuo radikalių idėjų iki mokslinės fantastikos
Žinoma, visada yra galimybė, kad matavimų skirtumas tiesiogiai rodo mūsų žinių apie šią pagrindinę dalelę - neutroną - spragą.
Tangas prisipažįsta, kad mesti neketinaeksperimentai. „Yra tiek daug pavyzdžių, kai žmonės pastebėjo kažką nepaprasto, o tada tiesiog apkaltino tai klaida, kad nepakankamai sunkiai dirbo. O dar kažkas dirbo ir gavo Nobelio premiją.
Viena neutrono gyvavimo paslapties teorija yrayra tai, kad jis sunaikinamas tokiais būdais, kurių mokslininkai tiesiog nežino. Jis gali suskaidyti į daleles, kurios skiriasi nuo žinomo protonų, elektronų ir antineutrino derinio. Jei taip, tai paaiškina, kodėl neutronaidingti eksperimentuojant su buteliais,bet atitinkama sumaeksperimentai su spinduliu protonų neaptinkami.
Kitos idėjos dar radikalesnės.
Kai kurie teoretikai teigia, kad neutronaiskilimas į gama spindulius ir paslaptingą tamsiąją medžiagą. Tamsioji materija sudaro 75% visatos materijos, tačiau, kiek žino mokslininkai, ji sąveikauja su įprasta materija tik per gravitaciją. Norėdami patikrinti šią teoriją, grupė LANL mokslininkų atliko buteliuko eksperimento versiją, kurioje matavo neutronus ir gama spindulius. Bet siūlomi gama spinduliai nepasitvirtino, ir mokslininkai neturi įrodymų, kad iš neutronų atsiras tamsiosios medžiagos.
Veidrodinė medžiaga yra dar viena galimybėkoncepcija, kuri skamba kaip mokslinė fantastika. Teoriškai „trūkstantys“ neutronai gali virsti veidrodiniais neutronais, būtent tiksliomis kopijomis, egzistuojančiomis priešingoje Visatoje. Besivystanti kitaip nei mūsų Visata, ši veidrodinė Visata būtų daug šaltesnė ir joje vyrautų helis. Kai kurie branduolinės energetikos mokslininkai, tokie kaip Greenas, mano, kad tai „neįtikėtina“, kiti domisi teorijos patikrinimu, „tik tuo atveju“.
„Tai palyginti neatrasta teritorija.Man tai skamba labai patraukliai, nes savo kieme turiu puikų neutronų šaltinį“, – sakė Leah Broussard, turėdama galvoje Energetikos departamento ORNL reaktorių.
Iš kairės į dešinę:ORNL bendradarbiai Matthew Frostas ir Leah Broussardas dirba su magnetizmo reflektometru skilimo neutronų šaltinyje, kuris naudojamas ieškoti matomų neutronų. Autorius: Genevieve Martin / Oak Ridge nacionalinė laboratorija, JAV Energetikos departamentas.
Norėdami patikrinti šią teoriją, Broussard analizuojaduomenys iš proceso, imituojančio pluošto viso gyvenimo eksperimentą, tačiau sureguliuoto taip, kad užfiksuotų galimo nematomo neutronų partnerio parašą. Paleidusi neutronų pluoštą per tam tikrą magnetinį lauką ir sustabdžiusi jį medžiaga, kuri sustabdo normalius neutronus, ji ir jos kolegos gali nustatyti, ar egzistuoja akiniai neutronai.
Kad ir kokie rezultatai tai atnešėEksperimento metu bus tęsiamas darbas siekiant nustatyti neutronų gyvavimo trukmę. „Labai svarbu, kad yra tiek daug bandymų tiksliai išmatuoti neutrono gyvavimo trukmę. Tai byloja apie labai emocingą mokslininkų reakciją į nenuoseklumą šioje srityje – „Noriu pagaliau tai išsiaiškinti!“ – apibendrina Broussard. „Kiekvieną mokslininką motyvuoja noras mokytis, noras suprasti“.
Taip pat skaitykite
Ant grėsmingos Žemės asteroidas Apophis pastebėjo pavojingą reiškinį. Kas vyksta?
Mokslininkai išsiaiškino, kodėl vaikai yra pavojingiausi COVID-19 nešiotojai
Ką „Parker Solar Probe“ atrado skrisdama kuo arčiau Saulės