Tajemnica życia neutronu
Neutron jest jednym z elementów budulcowych materii. Sama nazwa sugeruje
Ale to, ile czasu potrzeba, aby neutron „rozpadł się”, pozostaje tajemnicą. Oto dlaczego.
Jedna metoda pomiaru pomiaru daje wynik 887,7 sekundy plus minus 2,2 sekundy.
Inna metoda pokazuje 878,5 sekundy plus minus 0,8 sekundy.
Oto one, te same dziewięć sekund, które dezorientują naukowców.
Początkowo wydawało się, że ta różnica jest spowodowanaczułość pomiaru. Całkowicie słuszna teoria. Jednak naukowcy nadal prowadzą serię coraz dokładniejszych eksperymentów, a podstępna rozbieżność nadal pozostaje.
Ta spójność różnic danych wyraźnie wskazujenaukowcy są pewni, że wiąże się to z jakimś nieznanym typem fizyki. Może to wskazywać na nieznany dotąd proces rozpadu neutronów. Albo tak zasadnicza rozbieżność może wskazywać na naukę wykraczającą poza standardowy model, którego naukowcy obecnie używają do wyjaśnienia całej fizyki cząstek elementarnych. W końcu istnieje wiele zjawisk, których Model Standardowy nie wyjaśnia w pełni.
Tak naprawdę nie jest to teoria wszystkiego, gdyżnie opisuje ciemnej materii, ciemnej energii i nie obejmuje grawitacji. Jednak eksperymentalne potwierdzenie istnienia bozonów wektorów pośrednich w połowie lat 80. zakończyło budowę Modelu Standardowego i przyjęcie go jako głównego.
A jednak potrzeba rozbudowy modelupowstały w 2002 roku po odkryciu oscylacji neutrin. Nawiasem mówiąc, to potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa w 2012 roku zakończyło eksperymentalną detekcję cząstek elementarnych przewidywanych przez Model Standardowy.
Aby rozwiązać dziwną rozbieżność wczas życia neutronów Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) współpracuje z innymi agencjami federalnymi, laboratoriami krajowymi i uniwersytetami.
Po co badać neutron?
Fizycy jądrowi jako pierwsi zbadali czasżycie neutronu ze względu na jego ważną rolę w fizyce. „W przyrodzie są pewne fundamentalne wielkości, które zawsze są ważne” - wyjaśnia Jeff Green, profesor Uniwersytetu Tennessee i fizyk z Oak Ridge National Laboratory na Wydziale Energii. Badał żywotność neutronów przez większość swojego życia - około 40 lat. „Teorie przychodzą i odchodzą, ale czas życia neutronów pozostaje kluczowy dla wielu procesów”.
W rzeczywistości neutron jest użytecznym przewodnikiemzrozumienie innych cząstek. Jest to najprostsza cząstka radioaktywna, dlatego regularnie rozpada się na inne cząstki. Zatem to neutron daje naukowcom dobre pojęcie o oddziaływaniu słabym, czyli o sile, która decyduje o tym, czy neutrony zamienią się w protony, czy nie. Często proces ten uwalnia energię i powoduje rozpad jąder. Słabe procesy interakcji odgrywają również ważną rolę w syntezie jądrowej, podczas której łączą się dwa protony.
Время жизни нейтрона может также дать представление ученым о том, что произошло сразу после Большого взрыва. Заманчиво, не так ли?
Ilustracja wybuchu gwiazdy neutronowej
Всего через несколько секунд после образования protony i neutrony, ale zanim połączyły się w pierwiastki, zaczął się czas. Wszechświat gwałtownie się ochładzał. W pewnym momencie ochłodził się tak bardzo, że protony i neutrony niemal natychmiast połączyły się, tworząc hel i wodór. Gdyby neutrony rozpadły się na protony nieco szybciej lub wolniej, miałoby to ogromny wpływ na cały proces we wszechświecie. Wszechświat miałby zupełnie inną równowagę elementów; prawdopodobnie samo życie w ogóle by nie istniało.
Naukowcy mają nadzieję uzyskać jednocyfrowy numer dlaokreślenie czasu życia neutronów tak, aby można je było uwzględnić w różnych równaniach opisujących Wszechświat. Niepewność czasu życia neutronów jest akceptowalna, ale gdy jest mniejsza niż sekunda. Jednak uzyskanie pewności co do jednej liczby okazało się trudniejsze, niż przewidywali fizycy.
Czas życia neutronów jest jednym z najmniej znanych podstawowych parametrów Modelu Standardowego.
Zhaouen Tang jest fizykiem w Narodowym Laboratorium Los Alamos (LANL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Tak oczywiście różne osobyeksperymenty były w stanie osiągnąć wymagany poziom dokładności. Jednak niespójność między różnymi rodzajami eksperymentów uniemożliwia naukowcom określenie określonej liczby życia neutronów.
Jak wykryto niespójność danych
Dowiedzieć się, że jest cośróżnica w danych wynikała z chęci fizyków udzielenia odpowiedzi na wszystkie pytania dotyczące wszechświata. Użycie dwóch lub więcej metod do pomiaru tej samej ilości jest najlepszym sposobem zapewnienia dokładnego pomiaru. Ale naukowcy nie mogą ustawić timerów na neutronach, aby zobaczyć, jak szybko się rozpadają. Zamiast tego znajdują sposoby na pomiar neutronów przed i po rozpadzie, aby obliczyć ich czas życia.
I to jest główny problem.
Kiedy fizycy wyrywają neutrony z jąder atomowych,wkładają je do butelki i liczą, ile neutronów pozostanie w niej po pewnym czasie, zakładają, że neutrony ulegają rozpadowi radioaktywnemu średnio po 14 minutach 39 sekundach. Ale kiedy inni fizycy tworzą wiązki neutronów i policzą liczbę pojawiających się protonów – cząstek będących produktami rozpadu wolnych neutronów – ich średni czas życia wynosi około 14 minut i 48 sekund.
Rozbieżność między wymiarami „butelki” i „belki” utrzymuje się do dziś.
Rozbieżności między pomiarami w „butelce” a„Promień” istnieje od czasów, gdy metody obliczania czasu życia neutronów zaczęły przynosić wyniki w latach 90. XX wieku. Początkowo wszystkie pomiary były tak niedokładne, że nikt się tym nie martwił. Ale stopniowo obie metody uległy poprawie i nadal różniły się szacunkami.
W eksperymentach z wiązką używa się maszynktóre tworzą strumienie neutronów. Naukowcy mierzą liczbę neutronów w określonej objętości wiązki. Następnie kierują przepływ przez pole magnetyczne do pułapki cząstek utworzonej przez pola elektryczne i magnetyczne. Neutrony rozpadają się w pułapce, w której fizycy mierzą ilość pozostałych protonów.
Detektor protonów w Narodowym Instytucie Norm i Technologii, stosowany w metodzie wiązkowej.
Wręcz przeciwnie, eksperymenty z butelkami łapiąultrazimne neutrony w pojemniku. Ultrazimne neutrony poruszają się znacznie wolniej niż normalne neutrony – kilka metrów na sekundę, w porównaniu do 10 milionów metrów na sekundę z reakcji rozszczepienia. Naukowcy najpierw mierzą, ile neutronów znajduje się w pojemniku, a po pewnym czasie ponownie. Badając różnicę, mogą obliczyć, jak szybko rozpadły się neutrony.
Eksperyment w UNCtau w Los Alamos przy użyciu metody butelkowej do pomiaru czasu życia neutronów
„W eksperymencie z butelką dokonują pomiaru„Ocaleni” „nie żyją” w eksperymencie radiacyjnym” – wyjaśnia Green. „Eksperyment z butelką wydaje się łatwy, ale w rzeczywistości jest bardzo trudny. Z drugiej strony eksperyment z promieniami wydaje się skomplikowany i w rzeczywistości jest również trudny do przeprowadzenia.”
Green i jego współpracownicy przeprowadzili nowe pomiary ww NIST, co pomogło im jeszcze dokładniej obliczyć eksperyment z wiązką, który przeprowadzili w tym samym laboratorium w 2005 roku. W tym momencie naukowcy przeprowadzili pięć eksperymentów z butelkami i dwa z pęczkami. Green był przekonany, że w poprzednich eksperymentach z wiązkami pominięto jedno z największych źródeł niepewności. Mianowicie dokładne zliczenie liczby neutronów w wiązce. Fizycy udoskonalili swoje pomiary tej zmiennej, aby były pięciokrotnie dokładniejsze. Ale osiem lat ciężkiej pracy nie pozostawiło ich z niczym. Dokładniej, z tą samą różnicą w wynikach.
Naukowcy pracujący nad eksperymentami zbutelki, borykali się z własnymi trudnościami. Jednym z największych wyzwań pomiarowych było zapobieganie utracie neutronów podczas interakcji z materiałem, z którego wykonany jest pojemnik. Wyciek zmienia liczbę neutronów pod koniec rozpadu i zakłóca obliczenia.
Aby rozwiązać ten problem, w ostatnimEksperyment z butelką przeprowadzony przez LANL, wspierany przez Departament Nauki Stanów Zjednoczonych, wyeliminował fizyczne ściany. Zamiast tego fizycy jądrowi wykorzystali pola magnetyczne i grawitację do utrzymania neutronów na miejscu.
„Byłem przekonany, że jeśli to zrobimy, mymożemy sprawić, że neutron będzie żył dłużej i zgodzić się z czasem życia neutronów w wyniku eksperymentów z wiązką ”- powiedziała Chen-Yu Liu, profesor na Uniwersytecie Indiana, która kierowała eksperymentem. „To było moje osobiste uprzedzenie”.
Ale różnica pozostaje.„To był dla mnie duży szok” – przyznała później, opisując wyniki opublikowane w 2018 roku. Szansa, że różnica będzie wynikiem zbiegu okoliczności, jest mniejsza niż jeden na 10 000. Ale nadal może to być spowodowane błędem eksperymentalnym.
Dlaczego pojawia się błąd?
Naukowcy mają do czynienia z dwoma typaminiepewności lub błędy w eksperymentach: statystyczne lub systematyczne. Błędy statystyczne wynikają z niewystarczających danych. Nie pozwala nam to na wyciąganie jednoznacznych wniosków. Pobieranie dużych zbiorów danych zmniejsza liczbę błędów.
Błędy systematyczne to podstawaniepewność eksperymentu. Nawiasem mówiąc, często nie są oczywiste. Te dwa typy eksperymentów na czas życia neutronów mają zupełnie różne potencjalne błędy systematyczne. Gdyby wyniki były takie same, eksperymenty byłyby doskonałym sprawdzianem siebie nawzajem. Ale tak się nie dzieje.
„Najtrudniejsza rzecz w pomiarze czasu życia neutronówCzy jest zarówno za krótki, jak i za długi ”- mówi Hoogerheide. „Okazuje się, że 15 minut to naprawdę niewygodny czas na mierzenie w fizyce”.
Dlatego naukowcy jądrowi nadal pracują nad zbieraniem dodatkowych danych i minimalizowaniem błędów systematycznych.
Pionowo - żywotność neutronów w sekundach. Czerwony oznacza wyniki eksperymentów z promieniami, niebieski - z butelkami.
„Jedna z rzeczy, które lubię najbardziejw mojej dziedzinie to wyjątkowa dbałość o szczegóły i to, jak głęboko musisz zrozumieć każdy aspekt swojego eksperymentu, aby dokonać wiarygodnych pomiarów ”- mówi Leah Broussard, fizyk jądrowy w ORNL.
W NIST, Hoogerheide, Green i innych naukowcachprzeprowadzają nowy eksperyment z wiązką, który możliwie najdokładniej bada każdy możliwy problem. Niestety każde ustawienie dla każdego eksperymentu wpływa na kolejne wyniki, dlatego ta praca opiera się na systemie „dwa kroki do przodu, jeden krok do tyłu”.
Inne prace mają na celu znalezienie nowych sposobów pomiaru czasu życia neutronu.
Naukowcy z Johns Hopkins University iUniwersytet Durham w Wielkiej Brytanii, przy wsparciu Departamentu Energii USA, odkrył, jak wykorzystać dane NASA do pomiaru czasu życia neutronów. Na podstawie neutronów emanujących z Wenus i Merkurego obliczyli czas życia na 780 sekund z błędem 130 sekund. Ale ponieważ gromadzenie danych nie jest przeznaczone do tego celu, niepewność jest zbyt duża, aby określić różnicę w czasie życia cząstek. Zhaouen Tang, fizyk z Los Alamos National Laboratory, organizuje eksperyment, który jest skrzyżowaniem eksperymentów z butelką i wiązką. Zamiast mierzyć protony na końcu, będzie mierzył elektrony.
Całkowicie nowe podejście. Ale wygląda na to, że wszystkie inne opcje się wyczerpały?
Albo nie?
Nowe teorie. Od radykalnych pomysłów po science fiction
Oczywiście zawsze istnieje możliwość, że różnica w pomiarach bezpośrednio wskazuje na lukę w naszej wiedzy o tej fundamentalnej cząstce – neutronie.
Tang przyznaje, że nie planuje rezygnować z pracyeksperymenty. „Jest wiele przykładów ludzi, którzy zaobserwowali coś niezwykłego, a potem po prostu zrzucili winę na błąd polegający na tym, że nie pracowali wystarczająco ciężko”. A ktoś inny pracował i otrzymał Nagrodę Nobla.
Jedna z teorii wyjaśniająca tajemnicę życia neutronu brzmipolega na tym, że ulega zniszczeniu w sposób, którego naukowcy po prostu nie znają. Może rozpadać się na cząstki różniące się od znanej kombinacji protonu, elektronu i antyneutrina. Jeśli tak, to wyjaśnia to, dlaczego neutronyznikają w eksperymentach z butelkami,ale odpowiednią kwotęprotony nie wykryte w eksperymentach z wiązką.
Inne pomysły są jeszcze bardziej radykalne.
Niektórzy teoretycy sugerują, że neutronyrozpad na promienie gamma i tajemniczą ciemną materię. Ciemna materia stanowi 75% materii we wszechświecie, ale, o ile wiedzą naukowcy, oddziałuje ze zwykłą materią wyłącznie za pomocą grawitacji. Aby przetestować tę teorię, grupa naukowców z LANL przeprowadziła wersję eksperymentu z butelką, w którym mierzyli neutrony i promienie gamma. Ale proponowane promienie gamma nie zmaterializowały się, a naukowcy nie mają dowodów na pojawienie się ciemnej materii z neutronów.
Materia lustrzana to kolejna możliwa możliwośćkoncepcja, która brzmi jak science fiction. Teoretycznie „brakujące” neutrony mogą zamienić się w neutrony lustrzane, czyli dokładne kopie istniejące w przeciwległym Wszechświecie. Rozwijając się inaczej niż nasz Wszechświat, ten lustrzany Wszechświat byłby znacznie zimniejszy i dominowałby w nim hel. Podczas gdy niektórzy naukowcy zajmujący się energią jądrową, tacy jak Green, uważają, że jest to „nieprawdopodobne”, inni są zainteresowani przetestowaniem tej teorii, „na wszelki wypadek”.
„To stosunkowo niezbadane terytorium.Brzmi to dla mnie bardzo atrakcyjnie, ponieważ mam na podwórku świetne źródło neutronów” – stwierdziła Leah Broussard, odnosząc się do Spallation Neutron Source i High Flux Isotope Reactor, obu będących własnością Biura Naukowego Departamentu Energii ORNL.
Od lewej do prawej:Współpracownicy ORNL, Matthew Frost i Leah Broussard, pracują nad reflektometrem magnetycznym w źródle neutronów rozszczepienia, który służy do wyszukiwania neutronów zwierciadlanych. Źródło: Genevieve Martin / Laboratorium Krajowe Oak Ridge, Departament Energii Stanów Zjednoczonych.
Aby przetestować tę teorię, Broussard analizujedane z procesu, który symuluje eksperyment dotyczący czasu życia wiązki, ale jest dostrojony do przechwytywania sygnatury potencjalnego niewidzialnego partnera neutronowego. Wystrzeliwując wiązkę neutronów przez określone pole magnetyczne, a następnie zatrzymując ją materiałem, który zatrzymuje normalne neutrony, ona i jej koledzy mogą być w stanie określić, czy istnieją neutrony lustrzane.
Niezależnie od wyników to to spowodowałoeksperymentu, prace nad określeniem czasu życia neutronów będą kontynuowane. „To bardzo znaczące, że podejmuje się tak wiele prób dokładnego zmierzenia czasu życia neutronu. Świadczy to o bardzo emocjonalnej reakcji naukowców na niespójność w tej dziedzinie: „Chcę się w końcu dowiedzieć!” – podsumowuje Broussard. „Każdego naukowca motywuje chęć uczenia się, chęć zrozumienia”.
Czytaj także
Na zagrażającej Ziemi asteroidzie Apophis zauważył niebezpieczne zjawisko. Co się dzieje?
Naukowcy odkryli, dlaczego dzieci są najbardziej niebezpiecznymi nosicielami COVID-19
Co odkryła sonda Parker Solar Probe, lecąc jak najbliżej Słońca