Neitrona dzīves noslēpums
Neitrons ir viens no matērijas celtniecības blokiem. Pats nosaukums liecina
Bet cik ilgs laiks nepieciešams, lai neitrons “sabruktu”, joprojām ir noslēpums. Un lūk, kāpēc.
Viena mērījuma mērīšanas metode dod rezultātu 887,7 sekundes, plus vai mīnus 2,2 sekundes.
Cita metode parāda 878,5 sekundes, plus vai mīnus 0,8 sekundes.
Šeit viņi ir, tās pašas deviņas sekundes, kas mulsina zinātniekus.
Sākumā šķita, ka šī atšķirība ir saistīta armērījuma jutība. Pilnīgi derīga teorija. Tomēr zinātnieki turpina veikt arvien precīzāku eksperimentu sēriju, un mānīgā neatbilstība joprojām saglabājas.
Šī datu atšķirības konsekvence skaidri norādaZinātnieki ir pārliecināti par kādu nezināmu fizikas veidu. Tas var norādīt uz līdz šim nezināmu neitronu sabrukšanas procesu. Vai arī šāda būtiska neatbilstība varētu norādīt uz zinātni, kas pārsniedz standarta modeli, ko zinātnieki pašlaik izmanto, lai izskaidrotu visu daļiņu fiziku. Galu galā ir vairākas parādības, kuras standarta modelis pilnībā neizskaidro.
Patiesībā tā nav teorija par visu, joneapraksta tumšo vielu, tumšo enerģiju un neietver gravitāciju. Tomēr eksperimentāls apstiprinājums starpposma vektoru bozonu esamībai 80. gadu vidū pabeidza Standarta modeļa uzbūvi un tā pieņemšanu kā galveno.
Un tomēr nepieciešamība paplašināt modeliradās 2002. gadā pēc neitrīno svārstību atklāšanas. Starp citu, tas bija Higsa bozona esamības apstiprinājums 2012. gadā, kas pabeidza standarta modeļa paredzēto elementāro daļiņu eksperimentālu noteikšanu.
Lai atrisinātu dīvaino neatbilstībuneitronu kalpošanas laiks ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Zinātnes birojs sadarbojas ar citām federālajām aģentūrām, nacionālajām laboratorijām un universitātēm.
Kāpēc pētīt neitronu?
Pirmie laiku pētīja kodolfiziķineitrona dzīvi, jo tam ir svarīga loma fizikā. "Dabā ir daži fundamentāli daudzumi, kas vienmēr ir svarīgi," skaidro Džefs Grīns, Tenesī universitātes profesors un fiziķis Oak Ridge Nacionālās laboratorijas Enerģētikas departamentā. Viņš pētīja neitronu mūžu lielāko mūža daļu - apmēram 40 gadus. "Teorijas nāk un iet, bet neitronu kalpošanas laiks joprojām ir centrā daudzos procesos."
Patiesībā neitrons ir noderīgs ceļvedisizpratne par citām daļiņām. Šī ir vienkāršākā radioaktīvā daļiņa, tāpēc tā regulāri sadalās citās daļiņās. Tādējādi tieši neitroni sniedz zinātniekiem labu priekšstatu par vājo spēku, kas nosaka, vai neitroni pārvēršas par protoniem. Bieži vien šis process atbrīvo enerģiju un izraisa kodolu sabrukšanu. Vājas mijiedarbības procesiem ir svarīga loma arī kodolsintēzē, kur apvienojas divi protoni.
Neitrona mūžs arī var dot zinātniekiem priekšstatu par to, kas notika tūlīt pēc Lielā sprādziena. Kārdinoša, vai ne?
Neitronu zvaigžņu eksplozijas ilustrācija
Tikai sekundes pēc izglītībasprotoni un neitroni, bet pirms tie apvienojās elementos, sākās laiks. Visums strauji atdzisa. Kādā brīdī tas tik ļoti atdzisa, ka protoni un neitroni gandrīz uzreiz apvienojās, veidojot hēliju un ūdeņradi. Ja neitroni sadalās protonos nedaudz ātrāk vai lēnāk, tam būtu milzīga ietekme uz visu Visuma procesu. Visumam būtu ļoti atšķirīgs elementu līdzsvars; iespējams, ka pati dzīve nemaz nepastāvētu.
Zinātnieki cer iegūt vienciparu skaitli parneitronu dzīves ilguma definīcija, lai to varētu iekļaut dažādos Visumu raksturojošos vienādojumos. Neitronu dzīves ilguma nenoteiktība ir pieņemama, bet, ja tā ir mazāka par sekundi. Tomēr iegūt pārliecību tikai par vienu numuru izrādījās grūtāk, nekā fiziķi gaidīja.
Neitronu kalpošanas laiks ir viens no vismazāk zināmajiem standarta modeļa pamatparametriem.
Džauens Tans ir ASV Enerģētikas departamenta Losalamos Nacionālās laboratorijas (LANL) fiziķis.
Jā, protams, dažādi indivīdieksperimenti spēja sasniegt nepieciešamo precizitātes līmeni. Bet neatbilstība starp dažādu veidu eksperimentiem neļauj zinātniekiem noteikt konkrētu neitronu dzīves skaitli.
Kā tika atklāta datu neatbilstība
Uzzinot, ka tādas irdatu atšķirība radās no fiziķu vēlmes sniegt atbildes uz visiem jautājumiem par Visumu. Divu vai vairāku metožu izmantošana vienādas summas mērīšanai ir labākais veids, kā nodrošināt precīzu mērījumu. Bet zinātnieki nevar iestatīt taimerus uz neitroniem, lai redzētu, cik ātri tie sadalās. Tā vietā viņi atrod veidus, kā izmērīt neitronus pirms un pēc sabrukšanas, lai aprēķinātu viņu dzīves ilgumu.
Un tā ir galvenā problēma.
Kad fiziķi neitronus plēš no atomu kodoliem,viņi tos ievieto pudelē un aprēķina, cik daudz neitronu tajā paliks pēc kāda laika, viņi pieņem, ka neitroni vidēji pēc 14 minūtēm 39 sekundēm iziet radioaktīvi. Bet, kad citi fiziķi izveido neitronu kūļus un saskaita parādīto protonu skaitu - daļiņas, kas ir brīvo neitronu sabrukšanas produkti -, to vidējais dzīves ilgums ir aptuveni 14 minūtes 48 sekundes.
Atšķirība starp "pudeles" un "stara" mērījumiem joprojām saglabājas.
Atšķirības starp mērījumiem "pudelē" un"Rejs" ir bijis kopš tiem laikiem, kad neitronu kalpošanas laika aprēķināšanas metodes deviņdesmitajos gados sāka dot rezultātus. Sākumā visi mērījumi bija tik neprecīzi, ka nevienu tas neuztrauca. Bet pakāpeniski abas metodes uzlabojās un tomēr atšķīrās pēc tāmēm.
Sijas eksperimentos tiek izmantotas mašīnaskas rada neitronu plūsmas. Zinātnieki mēra neitronu skaitu noteiktā gaismas daudzumā. Tad tie novirza plūsmu caur magnētisko lauku daļiņu slazdā, ko veido elektriskais un magnētiskais lauks. Neitroni sadalās slazdā, kur fiziķi mēra atstāto protonu daudzumu.
Protonu detektors Nacionālajā standartu un tehnoloģiju institūtā, ko izmanto staru metodē.
Gluži pretēji, pudeļu eksperimenti noķerultracold neitroni traukā. Ultrasaukstie neitroni pārvietojas daudz lēnāk nekā parasti neitroni - dažus metrus sekundē, salīdzinot ar 10 miljoniem metru sekundē no skaldīšanas reakcijām. Zinātnieki vispirms mēra, cik daudz neitronu ir traukā, un pēc tam atkal pēc noteikta laika. Pētot atšķirību, viņi var aprēķināt, cik ātri neitroni sadalījās.
Eksperimentējiet UNCtau Los Alamos, izmantojot pudeles metodi, lai izmērītu neitronu kalpošanas laiku
“Pudeles eksperimentā viņi mēra“Izdzīvojušie” ir “miruši” radiācijas eksperimentā,” skaidro Grīns. “Pudeles eksperiments izklausās viegli, bet patiesībā ir ļoti grūts. No otras puses, eksperiments ar stariem izklausās sarežģīts un patiesībā to ir arī grūti veikt.
Grīns un viņa līdzstrādnieki veica jaunus mērījumus2013. gadā NIST, kas palīdzēja viņiem vēl precīzāk pārrēķināt staru kūļa eksperimentu, ko viņi veica tajā pašā laboratorijā 2005. gadā. Šobrīd zinātnieki ir pabeiguši piecus eksperimentus ar pudelēm un divus ar ķekariem. Grīns bija pārliecināts, ka iepriekšējos staru kūļa eksperimentos trūkst viena no lielākajiem nenoteiktības avotiem. Proti, precīzs neitronu skaita skaitījums starā. Fiziķi ir uzlabojuši savus šī mainīgā lieluma mērījumus, lai tie būtu piecas reizes precīzāki. Bet astoņi smaga darba gadi viņiem nelika neko. Precīzāk, ar tādu pašu rezultāta starpību.
Zinātnieki strādā pie eksperimentiem arpudeles, saskārās ar savām grūtībām. Viens no lielākajiem mērīšanas izaicinājumiem bija novērst neitronu zudumu, mijiedarbojoties ar materiālu, no kura izgatavots trauks. Noplūde maina neitronu skaitu sabrukšanas beigās un traucē aprēķiniem.
Lai atrisinātu šo problēmu, pēdējāLANL pudeles eksperiments, ko atbalstīja ASV Zinātnes departaments, likvidēja fiziskās sienas. Tā vietā kodolfiziķi izmantoja magnētiskos laukus un gravitāciju, lai noturētu neitronus vietā.
"Es biju pārliecināts, ka, ja mēs to izdarījām, mēsstaru eksperimentu rezultātā mēs varam likt neitronam dzīvot ilgāk un piekrist neitrona dzīves ilgumam, ”sacīja eksperimenta vadošā Čen-Ju Liu, Indianas Universitātes profesore. - Tas bija mans personīgais aizspriedums.
Bet atšķirība paliek."Tas man bija liels šoks," viņa vēlāk atzina, aprakstot 2018. gadā publicētos rezultātus. Varbūtība, ka starpība būs sagadīšanās dēļ, ir mazāka nekā viena no 10 000. Bet tas tomēr varētu būt saistīts ar eksperimentālu kļūdu.
Kāpēc rodas kļūda?
Zinātnieki saskaras ar diviem veidiemnenoteiktība vai kļūdas eksperimentos: statistikas vai sistemātiskas. Statistikas kļūdas rodas no nepietiekama datu apjoma. Tas neļauj mums izdarīt stingrus secinājumus. Lielo datu iegūšana samazina kļūdu skaitu.
Sistemātiskas kļūdas ir būtiskaseksperimenta nenoteiktība. Starp citu, tie bieži nav acīmredzami. Divu veidu neitronu mūža eksperimentiem ir pilnīgi atšķirīgas iespējamās sistemātiskās kļūdas. Ja rezultāti būtu vienādi, eksperimenti būtu lielisks viens otra pārbaudījums. Bet tas nenotiek.
"Visgrūtākais, mērot neitronu kalpošanas laiku- tas ir, ka tas ir gan par īsu, gan par garu, ”saka Hoogheide. "Izrādās, ka 15 minūtes ir patiešām neērts laiks, ko izmērīt fizikā."
Tāpēc kodolzinātnieki turpina strādāt, lai vāktu papildu datus un samazinātu sistemātiskas kļūdas.
Vertikāli - neitronu kalpošanas laiks sekundēs. Sarkans iezīmē eksperimentu rezultātus ar stariem, zils - ar pudelēm.
“Viena no lietām, kas man patīk visvairākmanā jomā tā ir ārkārtas uzmanība detaļām un tas, cik dziļi jums ir jāsaprot katrs sava eksperimenta aspekts, lai veiktu uzticamu mērījumu, ”sacīja Lean Broussard, ORNL kodolfiziķe.
NIST, Hoogerheide, Green un citi zinātniekiveic jaunu staru kūļa eksperimentu, kas pēc iespējas pilnīgāk pēta visas iespējamās problēmas. Diemžēl katrs katra eksperimenta iestatījums ietekmē turpmākos rezultātus, tāpēc šis darbs ir balstīts uz sistēmu “divi soļi uz priekšu, viens solis atpakaļ”.
Cita darba mērķis ir atrast jaunus veidus, kā izmērīt neitrona kalpošanas laiku.
Pētnieki no Džona Hopkinsa universitātes unDurhamas universitāte (Lielbritānija) ar ASV Enerģētikas departamenta atbalstu izdomāja, kā izmantot NASA datus, lai izmērītu neitronu kalpošanas laiku. Pamatojoties uz neitroniem, kas izplūst no Venēras un Merkura, viņi aprēķināja 780 sekundes ilgo kalpošanas laiku ar kļūdu 130 sekundes. Bet, tā kā datu vākšana nav paredzēta šim nolūkam, nenoteiktība ir pārāk augsta, lai noteiktu daļiņu dzīves atšķirību. Los Alamosas Nacionālās laboratorijas fiziķis Džajens Tangs izveido eksperimentu, kas ir krustojums starp pudeļu un staru eksperimentiem. Tā vietā, lai mērītu protonus beigās, tas mērīs elektronus.
Pilnīgi jauna pieeja. Bet izskatās, ka visas citas iespējas ir sevi izsmēlušas?
Vai nē?
Jaunas teorijas. No radikālām idejām līdz zinātniskajai fantastikai
Protams, vienmēr pastāv iespēja, ka mērījumu atšķirība tieši norāda uz plaisu mūsu zināšanās par šo fundamentālo daļiņu - neitronu.
Tangs atzīst, ka neplāno atmesteksperimentiem. "Ir tik daudz tādu cilvēku piemēru, kuri novēroja kaut ko neparastu un pēc tam vienkārši vainoja to kļūdas dēļ, ka nestrādāja pietiekami smagi." Un kāds cits strādāja un saņēma Nobela prēmiju.
Viena neitrona dzīves noslēpuma teorija irir tas, ka tas tiek iznīcināts tādos veidos, ko zinātnieki vienkārši nezina. Tas var sadalīties daļiņās, kas atšķiras no pazīstamās protonu, elektronu un antineutrino kombinācijas. Ja tā, tad tas izskaidro, kāpēc neitronipazūd eksperimentos ar pudelēm,bet atbilstošā summaeksperimentos ar staru kūli protoni netiek atklāti.
Citas idejas ir vēl radikālākas.
Daži teorētiķi norāda, ka neitronisabrukšana gamma staros un noslēpumainā tumšajā matērijā. Tumšā viela veido 75% vielas Visumā, taču, cik zinātnieki zina, ar parasto matēriju mijiedarbojas tikai caur gravitāciju. Lai pārbaudītu šo teoriju, LANL zinātnieku grupa veica pudeles eksperimenta versiju, kurā viņi izmēra neitronus un gamma starus. Bet ierosinātie gamma stari nepiepildījās, un zinātniekiem nav pierādījumu par tumšās vielas parādīšanos no neitroniem.
Vēl viena iespēja ir spoguļvielajēdziens, kas izklausās pēc zinātniskās fantastikas. Teorētiski “trūkstošie” neitroni var pārvērsties par spoguļneitroniem, proti, precīzām kopijām, kas eksistē pretējā Visumā. Attīstoties savādāk nekā mūsu Visums, šis spoguļvisums būtu daudz aukstāks un tajā dominētu hēlijs. Lai gan daži kodolzinātnieki, piemēram, Grīns, domā, ka tas ir "neticami", citi ir ieinteresēti pārbaudīt teoriju, tikai "katram gadījumam".
“Šī ir salīdzinoši neatzīmēta teritorija.Tas man izklausās ļoti pievilcīgi, jo manā pagalmā ir lielisks neitronu avots, ”sacīja Lea Broussard, atsaucoties uz reaktoru Spallation Neutron Source un High Flux Isotope Reactor, kas abi pieder Enerģētikas departamenta Zinātnes birojam.
No kreisās uz labo:ORNL līdzstrādnieki Metjū Frosts un Lea Brūsards strādā pie magnētiskā reflektometra skaldīšanas neitronu avotā, ko izmanto spekulatīvo neitronu meklēšanai. Kredīts: Genevieve Martin / Oak Ridge Nacionālā laboratorija, ASV Enerģētikas departaments.
Lai pārbaudītu šo teoriju, Broussard analizēdati no procesa, kas simulē stara mūža eksperimentu, bet ir noregulēts tā, lai uztvertu potenciālā neredzamā neitrona partnera parakstu. Palaižot neitronu staru caur noteiktu magnētisko lauku un pēc tam apturot to ar materiālu, kas aptur normālos neitronus, viņa un viņas kolēģi, iespējams, varēs noteikt, vai pastāv spoguļa neitroni.
Neatkarīgi no rezultātiem Eksperiments, darbs pie neitronu kalpošanas laika noteikšanas turpināsies. "Ir ļoti svarīgi, ka ir tik daudz mēģinājumu precīzi izmērīt neitrona kalpošanas laiku. Tas liecina par zinātnieku ļoti emocionālo reakciju uz nekonsekvenci šajā jomā — “Es gribu beidzot uzzināt!”” secina Broussard. "Katru zinātnieku motivē vēlme mācīties, vēlme saprast."
Lasīt arī
Uz draudošās Zemes asteroīds Apophis pamanīja bīstamu parādību. Kas notiek?
Zinātnieki ir noskaidrojuši, kāpēc bērni ir visbīstamākie COVID-19 nesēji
Ko Parkera saules zonde atklāja, lidojot pēc iespējas tuvāk Saulei