Het mysterie van het leven van de neutronen
Het neutron is een van de bouwstenen van materie. De naam zelf suggereert
Maar hoe lang het duurt voordat een neutron ‘uit elkaar valt’ blijft een mysterie. En dit is waarom.
Eén meetmethode voor de meting geeft een resultaat van 887,7 seconden, plus of min 2,2 seconden.
Een andere methode toont 878,5 seconden, plus of min 0,8 seconden.
Hier zijn ze, diezelfde negen seconden die wetenschappers in verwarring brengen.
In eerste instantie leek het erop dat dit verschil te wijten was aanmeetgevoeligheid. Een volkomen geldige theorie. Wetenschappers blijven echter een reeks steeds nauwkeuriger experimenten uitvoeren, en de verraderlijke discrepantie blijft bestaan.
Deze consistentie in het gegevensverschil geeft duidelijk aanaan een onbekend type natuurkunde, weten wetenschappers zeker. Dit kan duiden op een tot nu toe onbekend neutronenvervalproces. Of een dergelijke fundamentele discrepantie zou erop kunnen wijzen dat de wetenschap verder gaat dan het standaardmodel dat wetenschappers momenteel gebruiken om de hele deeltjesfysica te verklaren. Er zijn immers een aantal verschijnselen die het Standaardmodel niet volledig verklaart.
In feite is het niet een theorie van alles, aangezienbeschrijft geen donkere materie, donkere energie en omvat niet de zwaartekracht. Experimentele bevestiging van het bestaan van intermediaire vectorbosonen in het midden van de jaren tachtig voltooide echter de constructie van het standaardmodel en de aanvaarding ervan als het belangrijkste model.
En toch, de noodzaak om het model uit te breidenontstond in 2002 na de ontdekking van neutrino-oscillaties. Overigens was het de bevestiging van het bestaan van het Higgs-deeltje in 2012 die de experimentele detectie van elementaire deeltjes, voorspeld door het Standaardmodel, voltooide.
Om de vreemde discrepantie op te lossen inLevensduur van neutronen Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) werkt samen met andere federale instanties, nationale laboratoria en universiteiten.
Waarom het neutron bestuderen?
Kernfysici waren de eersten die tijd bestudeerdenhet leven van het neutron vanwege zijn belangrijke rol in de fysica. "Er zijn een aantal fundamentele hoeveelheden in de natuur die altijd belangrijk zijn", legt Jeff Green uit, professor aan de University of Tennessee en natuurkundige aan het Oak Ridge National Laboratory onder het Department of Energy. Hij bestudeerde de levensduur van neutronen voor het grootste deel van zijn leven - ongeveer 40 jaar. "Theorieën komen en gaan, maar de levensduur van neutronen blijft centraal in veel processen."
In feite is het neutron een nuttige gids voorbegrip van andere deeltjes. Dit is het eenvoudigste radioactieve deeltje en vervalt daarom regelmatig in andere deeltjes. Het is dus het neutron dat wetenschappers een goed idee geeft van de zwakke kracht die bepaalt of neutronen in protonen veranderen of niet. Vaak komt bij dit proces energie vrij en veroorzaakt het verval van de kernen. Zwakke interactieprocessen spelen ook een belangrijke rol bij kernfusie, waarbij twee protonen samenkomen.
De levensduur van het neutron kan wetenschappers ook een idee geven van wat er onmiddellijk na de oerknal gebeurde. Verleidelijk, is het niet?
Neutronenster explosie illustratie
Slechts enkele seconden na het onderwijsprotonen en neutronen, maar voordat ze zich tot elementen combineerden, begon de tijd. Het universum koelde snel af. Op een gegeven moment koelde het zo af dat protonen en neutronen vrijwel onmiddellijk combineerden om helium en waterstof te vormen. Als neutronen iets sneller of langzamer vervallen tot protonen, zou dit een enorme impact hebben op het hele proces van het universum. Het universum zou een heel andere balans van elementen hebben; het is waarschijnlijk dat het leven zelf helemaal niet zou bestaan.
Wetenschappers hopen er een eencijferig nummer voor te krijgendefinitie van de neutronenlevensduur, zodat deze kan worden opgenomen in verschillende vergelijkingen die het heelal beschrijven. De onzekerheid van de neutronenlevensduur is acceptabel, maar als het minder dan een seconde is. Zekerheid krijgen over slechts één getal bleek echter moeilijker te zijn dan natuurkundigen hadden verwacht.
De levensduur van neutronen is een van de minst bekende fundamentele parameters van het standaardmodel.
Zhaouen Tang is natuurkundige bij het Los Alamos National Laboratory (LANL) van het Amerikaanse ministerie van Energie.
Ja, natuurlijk, verschillende individuenexperimenten waren in staat om het vereiste niveau van nauwkeurigheid te bereiken. Maar de inconsistentie tussen verschillende soorten experimenten verhindert wetenschappers om een specifiek aantal neutronenleven te bepalen.
Hoe de inconsistentie van de gegevens werd ontdekt
Erachter komen dat er een ishet verschil in gegevens kwam voort uit de wens van natuurkundigen om antwoorden te geven op alle vragen over het universum. Het gebruik van twee of meer methoden om dezelfde hoeveelheid te meten, is de beste manier om een nauwkeurige meting te garanderen. Maar wetenschappers kunnen geen timers op neutronen instellen om te zien hoe snel ze vervallen. In plaats daarvan vinden ze manieren om neutronen te meten voor en na het verval om hun levensduur te berekenen.
En dit is het grootste probleem.
Wanneer natuurkundigen neutronen uit atoomkernen scheuren,ze stoppen ze in een fles en tellen hoeveel neutronen er na enige tijd in overblijven, ze gaan ervan uit dat neutronen na gemiddeld 14 minuten en 39 seconden radioactief verval ondergaan. Maar wanneer andere natuurkundigen neutronenbundels maken en het aantal protonen tellen dat verschijnt - deeltjes die de vervalproducten zijn van vrije neutronen - krijgen ze een gemiddelde levensduur van ongeveer 14 minuten en 48 seconden.
De discrepantie tussen de afmetingen van de "fles" en "balk" blijft tot op de dag van vandaag bestaan.
Verschillen tussen metingen in de "fles" enDe "straal" bestaat al sinds de dagen dat methoden voor het berekenen van de neutronenlevensduur resultaten begonnen op te leveren in de jaren negentig. In het begin waren alle metingen zo onnauwkeurig dat niemand zich er zorgen over maakte. Maar geleidelijk verbeterden beide methoden en verschilden ze nog steeds in hun schattingen.
Bij balkexperimenten worden machines gebruiktdie fluxen van neutronen creëren. Wetenschappers meten het aantal neutronen in een bepaald volume van de bundel. Vervolgens leiden ze de stroom door het magnetische veld naar een deeltjesvanger die wordt gevormd door de elektrische en magnetische velden. Neutronen vervallen in een val waar natuurkundigen het aantal protonen meten dat achterblijft.
Protondetector bij het National Institute of Standards and Technology, gebruikt in de bundelmethode.
Integendeel, flessenexperimenten vangen aanultrakoude neutronen in een container. Ultrakoude neutronen reizen veel langzamer dan normale neutronen - een paar meter per seconde, vergeleken met 10 miljoen meter per seconde bij splijtingsreacties. Wetenschappers meten eerst hoeveel neutronen er in de container zitten en daarna weer na een bepaalde tijd. Door het verschil te bestuderen, kunnen ze berekenen hoe snel de neutronen vervielen.
Experimenteer bij UNCtau in Los Alamos met behulp van de flesmethode om de levensduur van neutronen te meten
“In het flessenexperiment meten ze“Overlevenden” zijn “dood” in een stralingsexperiment”, legt Green uit. “Het flessenexperiment klinkt eenvoudig, maar is eigenlijk heel moeilijk. Aan de andere kant klinkt het experiment met roggen ingewikkeld en is het in werkelijkheid ook lastig uit te voeren.”
Green en zijn medewerkers voerden nieuwe metingen uit2013 bij NIST, wat hen hielp een bundelexperiment dat ze in 2005 in hetzelfde laboratorium uitvoerden, nog nauwkeuriger te herberekenen. Op dit moment hebben wetenschappers vijf flesexperimenten voltooid en twee met trossen. Green was ervan overtuigd dat bij eerdere bundelexperimenten een van de grootste bronnen van onzekerheid ontbrak. Namelijk een nauwkeurige telling van het aantal neutronen in de straal. Natuurkundigen hebben hun metingen van deze variabele verbeterd om ze vijf keer nauwkeuriger te maken. Maar na acht jaar hard werken hadden ze niets meer. Om precies te zijn, met hetzelfde verschil in resultaten.
Wetenschappers werken aan experimenten metflessen, geconfronteerd met hun eigen moeilijkheden. Een van de grootste meetuitdagingen was om het verlies van neutronen te voorkomen bij interactie met het materiaal waarvan de container is gemaakt. Het lek verandert het aantal neutronen aan het einde van het verval en verstoort de berekeningen.
Om dit probleem op te lossen, in de laatsteLANL's flessenexperiment, dat werd gesteund door het Amerikaanse ministerie van Wetenschap, elimineerde fysieke muren. In plaats daarvan gebruikten kernfysici magnetische velden en zwaartekracht om de neutronen op hun plaats te houden.
“Ik was ervan overtuigd dat als we dit deden, wewe kunnen het neutron langer laten leven en het eens zijn met de neutronenlevensduur als resultaat van de bundelexperimenten, ”zei Chen-Yu Liu, een vrouwelijke professor aan de Indiana University die het experiment leidde. "Dat was mijn persoonlijke voorkeur."
Maar het verschil blijft."Het was een grote schok voor mij", gaf ze later toe, terwijl ze de resultaten beschreef, gepubliceerd in 2018. De kans dat het verschil te wijten is aan toeval is minder dan één op 10.000. Maar het kan nog steeds te wijten zijn aan een experimentele fout.
Waarom treedt de fout op?
Wetenschappers worden met twee soorten geconfronteerdonzekerheden of fouten in experimenten: statistisch of systematisch. Statistische fouten ontstaan door onvoldoende gegevens. Dit verhindert ons om harde conclusies te trekken. Door big data te krijgen, worden minder fouten gemaakt.
Systematische fouten zijn fundamenteelde onzekerheid van het experiment. Ze zijn overigens vaak niet voor de hand liggend. De twee soorten experimenten met de levensduur van neutronen hebben totaal verschillende potentiële systematische fouten. Als de resultaten hetzelfde waren, zouden de experimenten elkaar uitstekend op de proef stellen. Maar dit gebeurt niet.
"Het moeilijkste bij het meten van de levensduur van neutronenIs het zowel te kort als te lang ”, zegt Hoogheide. "Het blijkt dat 15 minuten in de natuurkunde echt een ongemakkelijke tijd is om te meten."
Daarom blijven nucleaire wetenschappers werken aan het verzamelen van aanvullende gegevens en het minimaliseren van systematische fouten.
Verticaal - neutronenlevensduur in seconden. Rood markeert de resultaten van experimenten met stralen, blauw - met flessen.
“Een van de dingen die ik het leukst vindin mijn vakgebied is het uitzonderlijke aandacht voor detail en hoe diep je elk aspect van je experiment moet begrijpen om een betrouwbare meting te kunnen doen ', zegt Leah Broussard, kernfysicus bij ORNL.
Bij NIST, Hoogerheide, Groen en andere wetenschappersvoeren een nieuw bundelexperiment uit dat elk mogelijk probleem zo volledig mogelijk onderzoekt. Helaas heeft elke instelling voor elk experiment invloed op de daaropvolgende resultaten, dus dit werk is gebaseerd op een systeem van ‘twee stappen vooruit, één stap terug’.
Ander werk is gericht op het vinden van nieuwe manieren om de levensduur van een neutron te meten.
Onderzoekers van Johns Hopkins University enDurham University in het VK heeft met de steun van het Amerikaanse ministerie van Energie ontdekt hoe NASA-gegevens kunnen worden gebruikt om de levensduur van neutronen te meten. Op basis van neutronen afkomstig van Venus en Mercurius, berekenden ze een levensduur van 780 seconden met een fout van 130 seconden. Maar aangezien de gegevensverzameling niet voor dit doel is ontworpen, is de onzekerheid te groot om een verschil in deeltjeslevensduur vast te stellen. Zhaouen Tang, een natuurkundige aan het Los Alamos National Laboratory, zet een experiment op dat een kruising is tussen fles- en straalexperimenten. In plaats van aan het einde protonen te meten, gaat het elektronen meten.
Een compleet nieuwe aanpak. Maar het lijkt erop dat alle andere opties zichzelf hebben uitgeput?
Of niet?
Nieuwe theorieën. Van radicale ideeën tot science fiction
Het is natuurlijk altijd mogelijk dat het verschil in metingen direct wijst op een leemte in onze kennis over dit fundamentele deeltje - het neutron.
Tang geeft toe dat hij geen plannen heeft om te stoppenexperimenten. “Er zijn zoveel voorbeelden van mensen die iets bijzonders hebben waargenomen en dit vervolgens simpelweg de schuld hebben gegeven van de fout dat ze niet hard genoeg werkten.” En iemand anders werkte en ontving de Nobelprijs.”
Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны verdwijnen in fles experimenten, но соответствующее количество protonen niet gedetecteerd in bundelexperimenten.
Другие идеи еще более радикальны.
Sommige theoretici suggereren dat neutronenvervallen in gammastraling en mysterieuze donkere materie. Donkere materie maakt 75% van de materie in het universum uit, maar voor zover wetenschappers weten, heeft het alleen via zwaartekracht interactie met gewone materie. Om deze theorie te testen, voerde een groep wetenschappers bij LANL een versie van het fles-experiment uit waarin ze neutronen en gammastralen maten. Maar de voorgestelde gammastraling is niet uitgekomen en wetenschappers hebben geen bewijs van het verschijnen van donkere materie door neutronen.
Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».
«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.
Van links naar rechts:ORNL-medewerkers Matthew Frost en Leah Broussard werken aan een magnetisme-reflectometer in een kernsplijtingsneutronenbron die wordt gebruikt om spiegelende neutronen te zoeken. Krediet: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy.
Om deze theorie te testen, analyseert Broussardgegevens van een proces dat een experiment met de levensduur van een straal simuleert, maar is afgestemd om de handtekening van een potentiële onzichtbare neutronenpartner vast te leggen. Door een straal neutronen door een specifiek magnetisch veld te lanceren en deze vervolgens te stoppen met een materiaal dat normale neutronen tegenhoudt, kunnen zij en haar collega's mogelijk bepalen of er spiegelneutronen bestaan.
Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».
Lees ook
Op de dreigende aarde zag asteroïde Apophis een gevaarlijk fenomeen. Wat is er gaande?
Wetenschappers hebben ontdekt waarom kinderen de gevaarlijkste dragers van COVID-19 zijn
Wat de Parker Solar Probe ontdekte toen hij zo dicht mogelijk bij de zon vloog