Mysteriet med nøytronets liv
Nøytronet er en av materiens byggesteiner. Selve navnet antyder
Men hvor lang tid det tar før et nøytron "faller fra hverandre" forblir et mysterium. Og her er grunnen.
En metode for å måle målingen gir et resultat på 887,7 sekunder, pluss eller minus 2,2 sekunder.
En annen metode viser 878,5 sekunder, pluss minus 0,8 sekunder.
Her er de, de ni sekundene som forvirrer forskere.
Først så det ut til at denne forskjellen skyldtesmålefølsomhet. En helt gyldig teori. Imidlertid fortsetter forskere å gjennomføre en serie med stadig mer nøyaktige eksperimenter, og det lumske avviket er fortsatt.
Denne konsistensen i dataforskjellen indikerer tydeligtil en ukjent type fysikk, er forskerne sikre på. Dette kan indikere en hittil ukjent nøytronnedbrytningsprosess. Eller et slikt grunnleggende avvik kan peke på vitenskap utover standardmodellen som forskere for tiden bruker for å forklare all partikkelfysikk. Det er tross alt en rekke fenomener som standardmodellen ikke helt forklarer.
Faktisk er det ikke en teori om alt, sidenbeskriver ikke mørk materie, mørk energi og inkluderer ikke gravitasjon. Imidlertid fullførte eksperimentell bekreftelse av eksistensen av mellomvektorbosoner på midten av 80-tallet konstruksjonen av standardmodellen og dens aksept som den viktigste.
Og likevel behovet for å utvide modellenoppstod i 2002 etter oppdagelsen av nøytrino-svingninger. Forresten var det bekreftelsen på eksistensen av Higgs-bosonen i 2012 som fullførte den eksperimentelle påvisningen av elementære partikler som ble forutsagt av standardmodellen.
For å løse det merkelige avviket inøytronlevetid U.S. Department of Energy's (DOE) Office of Science samarbeider med andre føderale byråer, nasjonale laboratorier og universiteter.
Hvorfor studere nøytronet?
Kjernefysikere var de første som studerte tidlivet til nøytronet på grunn av dets viktige rolle i fysikk. "Det er noen grunnleggende mengder i naturen som alltid er viktige," forklarer Jeff Green, professor ved University of Tennessee og fysiker ved Oak Ridge National Laboratory under Department of Energy. Han studerte nøytronlevetiden det meste av livet - omtrent 40 år. "Teorier kommer og går, men nøytronens levetid forblir sentral i mange prosesser."
Faktisk er nøytronet en nyttig guide forforståelse av andre partikler. Dette er den enkleste radioaktive partikkelen, derfor forfaller den regelmessig til andre partikler. Dermed er det nøytronet som gir forskerne en god ide om den svake kraften. Selve kraften som avgjør om nøytroner blir til protoner eller ikke. Ofte frigjør denne prosessen energi og får kjernene til å forfalle. Svake interaksjonsprosesser spiller også en viktig rolle i kjernefysisk fusjon, hvor to protoner kombineres.
Nøytronens levetid kan også gi forskere en ide om hva som skjedde umiddelbart etter Big Bang. Fristende, ikke sant?
Neutron stjerneeksplosjon illustrasjon
Bare sekunder etter utdannelseprotoner og nøytroner, men før de kombineres til elementer, begynte tiden. Universet ble raskt avkjølt. På et eller annet tidspunkt avkjøles det så mye at protoner og nøytroner nesten umiddelbart kombineres for å danne helium og hydrogen. Hvis nøytroner forfaller til protoner litt raskere eller langsommere, vil dette ha en enorm innvirkning på hele universets prosess. Universet ville ha en helt annen balanse mellom elementer; det er sannsynlig at selve livet ikke ville eksistere i det hele tatt.
Forskere håper å få et ensifret tall fordefinisjon av nøytronens levetid, slik at den kan inkluderes i forskjellige ligninger som beskriver universet. Usikkerheten om nøytronets levetid er akseptabel, men når det er mindre enn et sekund. Å få sikkerhet på bare ett nummer viste seg imidlertid å være vanskeligere enn fysikere forventet.
Nøytronens levetid er en av de minst kjente grunnleggende parametrene til standardmodellen.
Zhaouen Tang er fysiker ved det amerikanske energidepartementets Los Alamos National Laboratory (LANL).
Ja, selvfølgelig, forskjellige individuelleeksperimenter var i stand til å oppnå det nødvendige nøyaktighetsnivået. Men inkonsekvensen mellom forskjellige typer eksperimenter forhindrer forskere i å bestemme et spesifikt nøytronlevetid.
Hvordan datainkonsekvensen ble oppdaget
Å finne ut at det er noeforskjellen i data oppstod på grunn av fysikernes ønske om å gi svar på alle spørsmål om universet. Å bruke to eller flere metoder for å måle samme mengde er den beste måten å sikre nøyaktig måling. Men forskere kan ikke stille timere på nøytroner for å se hvor raskt de forfaller. I stedet finner de måter å måle nøytroner før og etter at de forfaller for å beregne levetiden.
Og dette er hovedproblemet.
Når fysikere riper nøytroner fra atomkjerner,de legger dem i en flaske og beregner hvor mange nøytroner som vil være igjen i den etter en stund, de antar at nøytroner gjennomgår radioaktivt forfall i gjennomsnitt etter 14 minutter og 39 sekunder. Men når andre fysikere lager nøytronstråler og teller antall protoner som vises - partikler som er forfallsprodukter av frie nøytroner - får de en gjennomsnittlig levetid på omtrent 14 minutter og 48 sekunder.
Avviket mellom målingene av "flasken" og "bjelken" vedvarer fortsatt.
Avvik mellom målinger i "flasken" og"Strålen" har eksistert siden dagene da metoder for å beregne nøytronlevetiden begynte å gi resultater på 1990-tallet. Først var alle målinger så unøyaktige at ingen var bekymret for det. Men gradvis forbedret begge metodene, og skilte seg fortsatt i estimater.
I bjelkeeksperimenter brukes maskinersom skaper strømmer av nøytroner. Forskere måler antall nøytroner i et bestemt volum av strålen. De leder deretter strømmen gjennom magnetfeltet inn i en partikkelfelle dannet av de elektriske og magnetiske feltene. Nøytronene forfaller i en felle der fysikere måler mengden protoner som er igjen.
Protondetektor ved National Institute of Standards and Technology, brukt i strålemetoden.
Tvert imot fanger flaskeeksperimenterultrakolde nøytroner i en beholder. Ultrakolde nøytroner beveger seg mye langsommere enn normale nøytroner - noen få meter per sekund, sammenlignet med 10 millioner meter per sekund fra fisjoneringsreaksjoner. Forskere måler hvor mange nøytroner som er i beholderen først, og deretter igjen etter en viss periode. Ved å studere forskjellen kan de beregne hvor raskt nøytronene forfalt.
Eksperimenter på UNCtau i Los Alamos ved å bruke flaskemetoden for å måle nøytronets levetid
«I flaskeeksperimentet måler de"Overlevende" er "døde" i et strålingseksperiment, forklarer Green. «Flaskeeksperimentet høres enkelt ut, men er faktisk veldig vanskelig. På den annen side høres eksperimentet med stråler komplisert ut, og i virkeligheten er det også vanskelig å gjennomføre.»
Green og hans samarbeidspartnere utførte nye målinger i2013 ved NIST, noe som hjalp dem å beregne enda mer nøyaktig et stråleeksperiment de utførte i det samme laboratoriet i 2005. På dette tidspunktet har forskere fullført fem flaskeeksperimenter og to med bunter. Green var overbevist om at tidligere stråleeksperimenter manglet en av de største kildene til usikkerhet. Nemlig en nøyaktig telling av antall nøytroner i strålen. Fysikere har forbedret sine målinger av denne variabelen for å gjøre dem fem ganger mer nøyaktige. Men åtte år med hardt arbeid ga dem ingenting. Mer presist, med det samme gapet i resultater.
Forskere som jobber med eksperimenter medflasker, møtte sine egne vanskeligheter. En av de største måleutfordringene var å forhindre tap av nøytroner når de interagerer med materialet som beholderen er laget av. Lekkasjen endrer antall nøytroner ved slutten av forfallet og forstyrrer beregningene.
For å løse dette problemet, i den sisteLANLs flaskeeksperiment, som ble støttet av US Department of Science, eliminerte fysiske vegger. I stedet brukte kjernefysikere magnetfelt og gravitasjon for å holde nøytronene på plass.
“Jeg var overbevist om at hvis vi gjorde dettevi kan få nøytronen til å leve lenger og være enig med nøytronens levetid som et resultat av stråleeksperimenter, ”sa Chen-Yu Liu, en kvinnelig professor ved Indiana University som ledet eksperimentet. "Det var min personlige skjevhet."
Men forskjellen gjenstår."Det var et stort sjokk for meg," innrømmet hun senere, med henvisning til resultatene, publisert i 2018. Sannsynligheten for at forskjellen vil skyldes tilfeldigheter er mindre enn en av 10 000. Men dette kan fortsatt skyldes eksperimentelle feil.
Hvorfor oppstår feilen?
Forskere står overfor to typerusikkerhet eller feil i eksperimenter: statistisk eller systematisk. Statistiske feil skyldes utilstrekkelige data. Dette hindrer oss i å trekke faste konklusjoner. Å få store data reduserer feil.
Systematiske feil er grunnleggendeusikkerhet i eksperimentet. Forresten er de ofte ikke opplagte. De to typene nøytronlevetidseksperimenter har helt forskjellige potensielle systematiske feil. Hvis resultatene var de samme, ville eksperimentene være en utmerket test av hverandre. Men det skjer ikke.
"Det vanskeligste med å måle nøytronets levetid- det er at den både er for kort og for lang, sier Hoogheide. "Det viser seg at 15 minutter er en veldig upraktisk tid å måle i fysikk."
Derfor fortsetter atomforskere å arbeide for å samle inn ytterligere data og minimere systematiske feil.
Vertikal - nøytronlevetid i sekunder. Rød markerer resultatene av eksperimenter med stråler, blå - med flasker.
“En av de tingene jeg liker aller besti mitt felt er det ekstraordinær oppmerksomhet på detaljer og hvor dypt du må forstå alle aspekter av eksperimentet ditt for å foreta en pålitelig måling, sier Leah Broussard, kjernefysiker ved ORNL.
Ved NIST, Hoogerheide, Green og andre forskeregjennomfører et nytt stråleeksperiment som utforsker alle mulige problemer så fullstendig som mulig. Dessverre påvirker hver innstilling for hvert eksperiment påfølgende resultater, så dette arbeidet er basert på et "to skritt fremover, ett skritt tilbake"-system.
Annet arbeid er rettet mot å finne nye måter å måle levetiden til et nøytron på.
Forskere fra Johns Hopkins University ogDurham University, Storbritannia, med støtte fra US Department of Energy, fant ut hvordan man bruker NASA-data for å måle nøytronets levetid. Basert på nøytroner som kommer fra Venus og Merkur, beregnet de en levetid på 780 sekunder med en feil på 130 sekunder. Men siden datainnsamling ikke er ment for dette formålet, er usikkerheten for stor til å bestemme en forskjell i partikkellevetid. Zhaouen Tang, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory, setter opp et eksperiment som er et kryss mellom flaske- og bjelkeeksperimenter. I stedet for å måle protoner på slutten, vil den måle elektroner.
En helt ny tilnærming. Men det ser ut til at alle andre alternativer har uttømt seg selv?
Eller ikke?
Nye teorier. Fra radikale ideer til science fiction
Selvfølgelig er det alltid muligheten for at forskjellen i målinger direkte indikerer et gap i vår kunnskap om denne grunnleggende partikkelen - nøytronen.
Tang innrømmer at han ikke har noen planer om å slutteeksperimenter. "Det er så mange eksempler på mennesker som har observert noe ekstraordinært og så rett og slett skylden på feilen ved å ikke jobbe hardt nok." Og noen andre jobbet og mottok Nobelprisen.»
En teori for mysteriet om nøytronets liv erer at den blir ødelagt på måter som forskerne rett og slett ikke vet. Det kan forfalle til partikler som er forskjellige fra den kjente kombinasjonen av proton, elektron og antinøytrino. I så fall forklarer dette hvorfor nøytronerforsvinne i flaskeeksperimenter,men tilsvarende beløpprotoner ikke oppdaget i stråleeksperimenter.
Andre ideer er enda mer radikale.
Noen teoretikere antyder at nøytronerforfall til gammastråler og mystisk mørk materie. Mørk materie utgjør 75% av materien i universet, men så vidt forskere vet, samhandler den bare med vanlig materie gjennom tyngdekraften. For å teste denne teorien kjørte en gruppe forskere ved LANL en versjon av flaskeeksperimentet der de målte nøytroner og gammastråler. Men de foreslåtte gammastrålene materialiserte seg ikke, og forskere har ingen bevis for at mørk materie ser ut fra nøytroner.
Speilmaterie er en annen muliget konsept som høres ut som science fiction. Teoretisk sett kan de "manglende" nøytronene bli til speilnøytroner, nemlig eksakte kopier som finnes i det motsatte universet. Utviklet seg annerledes enn universet vårt, ville dette speiluniverset være mye kaldere og helium ville dominere i det. Mens noen kjernefysiske forskere som Green mener det er «usannsynlig», er andre interessert i å teste teorien, bare «i tilfelle».
– Dette er relativt ukjent territorium.Det høres veldig attraktivt ut for meg fordi jeg har en flott nøytronkilde i bakgården min,” sa Leah Broussard, med henvisning til Spallation Neutron Source and High Flux Isotope Reactor, begge eid av Department of Energy's Office of Science.ORNL.
Fra venstre til høyre:ORNL-samarbeidspartnere Matthew Frost og Leah Broussard jobber med et magnetismereflektometer i en fisjon nøytronkilde som brukes til å søke etter speilneutroner. Kreditt: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy.
For å teste denne teorien analyserer Broussarddata fra en prosess som simulerer et eksperiment fra strålelevetid, men er innstilt for å fange signaturen til en potensiell usynlig nøytronpartner. Ved å skyte en nøytronstråle gjennom et bestemt magnetfelt og deretter stoppe den med et materiale som stopper normale nøytroner, kan hun og hennes kolleger være i stand til å avgjøre om speilneutroner eksisterer.
Uansett hvilke resultater som førte til detteeksperimentet, vil arbeidet med å bestemme nøytronlevetiden fortsette. "Det er veldig viktig at det er så mange forsøk på å nøyaktig måle levetiden til et nøytron. Dette taler til den svært emosjonelle reaksjonen til forskere på inkonsekvensen på dette feltet – «Jeg vil endelig finne ut av det!»» avslutter Broussard. "Hver vitenskapsmann er motivert av ønsket om å lære, ønsket om å forstå."
Les også
På den truende jordasteroiden la Apophis merke til et farlig fenomen. Hva skjer?
Forskere har funnet ut hvorfor barn er de farligste bærerne av COVID-19
Hva Parker Solar Probe oppdaget da den fløy så nær solen som mulig