O mistério da vida do nêutron
O nêutron é um dos blocos de construção da matéria.
Mas quanto tempo leva para um nêutron "desmoronar " permanece um mistério. por que.
Um método mede a medição dá o resultadoa 887,7 segundos, dê ou tire 2,2 segundos.
Outro método mostra 878,5 segundos, mais ou menos 0,8 segundos.
Aqui estão eles, aqueles mesmos nove segundos que confundem os cientistas.
A princípio parecia que essa diferença se devia asensibilidade de medição. Uma teoria perfeitamente válida. No entanto, os cientistas continuam a conduzir uma série de experimentos cada vez mais precisos, e a discrepância insidiosa ainda permanece.
Tal constância na diferença de dados indica claramente algum tipo desconhecido de física, os cientistas têm certeza.Isso pode indicar um processo até então desconhecido de decaimento de nêutrons.Ou tal discrepância fundamental pode apontar para a ciência além do modelo padrão usado atualmenteAfinal, há uma série de fenômenos que o Modelo Padrão não explicatotalmente.
Na verdade, não é uma teoria de tudo, já que não descrevematéria escura, energia escura, e não inclui a gravidade.No entanto, a confirmação experimental da existência de bósons vetoriais intermediários em meados da década de 1980 completou a construção do Modelo Padrão e sua aceitação como modelo principal.
E ainda, a necessidade de expandir o modelosurgiu em 2002 após a descoberta das oscilações de neutrinos. Aliás, foi a confirmação da existência do bóson de Higgs em 2012 que completou a detecção experimental de partículas elementares prevista pelo Modelo Padrão.
Para desvendar a estranha discrepância na vida útil dos nêutrons , o Escritório de Ciência (DOE) do Departamento de Energia dos EUA está trabalhandocom outros órgãos federais, laboratórios nacionais e universidades.
Por que estudar o nêutron?
Os físicos nucleares foram os primeiros a estudar o tempoa vida do nêutron por causa de seu importante papel na física. “Existem algumas quantidades fundamentais na natureza que são sempre importantes”, explica Jeff Green, professor da Universidade do Tennessee e físico do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia. Ele estudou a vida útil dos nêutrons durante a maior parte de sua vida - cerca de 40 anos. "As teorias vêm e vão, mas a vida útil dos nêutrons permanece central para muitos processos."
Na verdade, o nêutron é um guia útil para entender outras partículas.É a partícula radioativa mais simples, por isso decai regularmente em outras partículas.Assim, é o nêutron que dá aos cientistas uma boa ideia da interação fraca. A própria força que determina se os nêutrons se transformam em prótons ou não. Muitas vezes, esse processo libera energia e causaProcessos de interação fraca também desempenham um papel importante na fusão nuclear, onde dois prótons se combinam.
A vida útil dos nêutrons também pode dar aos cientistas uma ideia do que aconteceu imediatamente após o Big Bang. Tentador, não é?
Ilustração da explosão de estrela de nêutrons
Apenas alguns segundos depois da educaçãoprótons e nêutrons, mas antes que se combinassem em elementos, o tempo começou. O universo estava esfriando rapidamente. Em algum ponto, ele esfriou tanto que prótons e nêutrons se combinaram quase que instantaneamente para formar hélio e hidrogênio. Se os nêutrons se transformassem em prótons um pouco mais rápido ou mais lento, isso teria um grande impacto em todo o processo do universo. O universo teria um equilíbrio de elementos muito diferente; é provável que a própria vida nem existisse.
Os cientistas esperam obter um único dígito paradeterminação da vida útil do nêutron para que pudesse ser incluído em várias equações que descrevem o Universo. A incerteza da vida útil do nêutron é aceitável, mas quando for menor que um segundo. No entanto, obter certeza sobre apenas um número provou ser mais difícil do que os físicos haviam previsto.
A vida útil do nêutron é um dos parâmetros fundamentais menos conhecidos do Modelo Padrão.
Zhaouen Tang é físico do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) do Departamento de Energia dos EUA.
Sim, claro, vários indivíduosexperimentos foram capazes de atingir o nível necessário de precisão. Mas a inconsistência entre os diferentes tipos de experimentos impede os cientistas de determinar um número de vida específico de nêutrons.
Como a inconsistência de dados foi descoberta
Descobrir que existe alguma diferença de dados surgiu do desejo dos físicos de fornecer respostas a todas as perguntas sobre o universo. Usar dois ou mais métodos para medir a mesma quantidade é a melhor maneira de garantir uma medição precisa. Mas os cientistas não podem definir temporizadores nos nêutrons para ver com que rapidez eles decaem. Em vez disso, eles encontram maneiras de medir os nêutrons antes e depois de decaírem para calcular seu tempo de vida.
E esse é o principal problema.
Quando os físicos arrancam nêutrons dos núcleos atômicos,eles os colocam em uma garrafa e contam quantos nêutrons permanecerão nela depois de algum tempo, eles assumem que os nêutrons sofrem decaimento radioativo em média após 14 minutos e 39 segundos. Mas quando outros físicos criam feixes de nêutrons e contam o número de prótons que aparecem - partículas que são produtos do decaimento dos nêutrons livres - eles obtêm uma vida útil média de cerca de 14 minutos e 48 segundos.
A discrepância entre as medidas da "garrafa" e "feixe" persiste até hoje.
Discrepâncias entre as medições na "garrafa" eO "raio" existe desde os dias em que os métodos para calcular a vida útil dos nêutrons começaram a produzir resultados na década de 1990. No início, todas as medições eram tão imprecisas que ninguém se preocupou com isso. Mas, gradualmente, os dois métodos melhoraram e ainda diferiam nas estimativas.
Em experimentos de feixe, máquinas são usadasque criam fluxos de nêutrons. Os cientistas medem o número de nêutrons em um volume específico do feixe. Eles então direcionam o fluxo através do campo magnético para uma armadilha de partículas formada pelos campos elétrico e magnético. Os nêutrons se deterioram em uma armadilha onde os físicos medem a quantidade de prótons que ficam para trás.
Detector de prótons do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, usado no método de feixe.
Pelo contrário, experimentos com garrafas pegamnêutrons ultracold em um recipiente. Os nêutrons ultracold viajam muito mais devagar do que os nêutrons normais - alguns metros por segundo, em comparação com 10 milhões de metros por segundo das reações de fissão. Os cientistas medem quantos nêutrons estão no recipiente primeiro e depois novamente após um determinado período de tempo. Ao estudar a diferença, eles podem calcular a rapidez com que os nêutrons decaíram.
Experiência na UNCtau em Los Alamos usando o método da garrafa para medir a vida útil do nêutron
"No experimento da garrafa, os 'sobreviventes' são medidos, no experimento da radiação, os 'mortos' ", explica Green. ExperimentarCom uma garrafa parece fácil, mas na verdade é muito difícil. Parece difícil com raios e , na prática , também é difícil realizá-lo."
Green e seus colaboradores realizaram novas medições em 2013 no NIST que os ajudaram a recalcular o experimento com ainda mais precisãofeixe que eles conduziram no mesmo laboratório em 2005.A essa altura, os cientistas haviam completado cinco experimentos com a garrafa e dois com as vigas.Green estava convencido de que experimentos anteriores com o feixe haviam ignorado uma das maiores fontes de incerteza.Os físicos melhoraram suas medições dessa variável para torná-las cinco vezes mais precisas.Mas oito anos de trabalho árduo os deixaram sem nada.Mais precisamente, com a mesma lacuna de resultados.
Cientistas trabalhando em experimentos comбутылками, столкнулись со своими трудностями. Одной из самых больших проблем в измерениях было предотвратить потерю нейтронов при взаимодействии с материалом, из которого сделан контейнер. Утечка изменяет количество нейтронов в конце распада и мешает расчетам.
Para resolver esse problema, o último experimento de garrafas no LANL, que foi apoiado pelo Departamento de Ciência dos EUA, eliminou paredes físicas.Em vez disso, os físicos nucleares usaram campos magnéticos e gravidade para manter os nêutrons no lugar.
“Eu estava convencido de que, se fizéssemos isso,podemos fazer o nêutron viver mais tempo e concordar com o tempo de vida do nêutron como resultado dos experimentos de feixe ”, disse Chen-Yu Liu, professora da Universidade de Indiana que liderou o experimento. "Esse era o meu preconceito pessoal."
Но разница осталась.“Foi um grande choque para mim”, ela admitiu mais tarde, descrevendo os resultados, publicados em 2018. A probabilidade de que a diferença seja devido a coincidência é menor que um em 10.000, mas isso ainda pode ser devido a um erro experimental.
Por que o erro ocorre?
Os cientistas são confrontados com dois tiposincertezas ou erros em experimentos: estatísticos ou sistemáticos. Erros estatísticos decorrem de dados insuficientes. Isso nos impede de tirar conclusões firmes. Obter big data reduz erros.
Erros sistemáticos são fundamentaisa incerteza do experimento. A propósito, muitas vezes eles não são óbvios. Os dois tipos de experimentos de tempo de vida de nêutrons têm erros sistemáticos potenciais completamente diferentes. Se os resultados fossem os mesmos, os experimentos seriam um excelente teste um do outro. Mas isto não esta acontecendo.
"A coisa mais difícil na medição da vida útil dos nêutronsÉ que é muito curto e muito longo ”, diz Hoogerheide. "Acontece que 15 minutos é um tempo realmente inconveniente para medir em física."
Portanto, os cientistas nucleares continuam trabalhando para coletar dados adicionais e minimizar erros sistemáticos.
Vertical - vida útil do nêutron em segundos. Vermelho marca os resultados de experimentos com raios, azul - com garrafas.
“Uma das coisas que mais gostono meu campo, é uma atenção excepcional aos detalhes e quão profundamente você tem que entender cada aspecto do seu experimento para fazer uma medição confiável ”, diz Leah Broussard, física nuclear do ORNL.
No NIST, Hoogerheide, Green e outros cientistas estão conduzindo um novo experimento de feixe que investiga Infelizmente, cada cenário para cada experimento tem um impactonos próximos resultados, portanto, este trabalho é baseado no sistema "dois passos para frente, um passo para trás".
Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.
Pesquisadores da Universidade Johns Hopkins eA Durham University, no Reino Unido, com o apoio do Departamento de Energia dos Estados Unidos, descobriu como usar os dados da NASA para medir a vida útil dos nêutrons. Com base em nêutrons que emanam de Vênus e Mercúrio, eles calcularam uma vida útil de 780 segundos com um erro de 130 segundos. Mas, uma vez que a coleta de dados não se destina a esse propósito, a incerteza é muito alta para determinar uma diferença na vida das partículas. Zhaouen Tang, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos, cria um experimento que é um cruzamento entre experimentos de garrafa e viga. Em vez de medir prótons no final, ele medirá elétrons.
Uma abordagem completamente nova. Mas parece que todas as outras opções se esgotaram?
Ou não?
Novas teorias. Das ideias radicais à ficção científica
Claro, sempre existe a possibilidade de que a diferença nas medições indique diretamente uma lacuna em nosso conhecimento sobre essa partícula fundamental - o nêutron.
Tang admite que não tem planos de desistirexperimentos. “Há tantos exemplos de pessoas que observaram algo extraordinário e depois simplesmente atribuíram a culpa ao erro de não trabalharem o suficiente.” E outra pessoa trabalhou e recebeu o Prêmio Nobel.”
Uma teoria para o mistério da vida do nêutron éé que ele é destruído de maneiras que os cientistas simplesmente não conhecem. Pode decair em partículas diferentes da combinação familiar de próton, elétron e antineutrino. Se sim, então isso explica por que os nêutronsdesaparecer em experimentos com garrafas,mas o valor correspondenteprótons não detectados em experimentos de feixe.
Outras ideias são ainda mais radicais.
Alguns teóricos sugerem que nêutronsdecai em raios gama e misteriosa matéria escura. A matéria escura representa 75% da matéria no universo, mas, pelo que os cientistas sabem, ela interage com a matéria comum apenas por meio da gravidade. Para testar essa teoria, um grupo de cientistas do LANL executou uma versão do experimento da garrafa em que mediram nêutrons e raios gama. Mas os raios gama propostos não se materializaram, e os cientistas não têm evidências do surgimento de matéria escura a partir de nêutrons.
A matéria do espelho é outra possibilidadeum conceito que parece ficção científica. Teoricamente, os nêutrons “ausentes” podem se transformar em nêutrons espelhados, ou seja, em cópias exatas que existem no Universo oposto. Desenvolvendo-se de forma diferente do nosso Universo, este Universo espelho seria muito mais frio e nele predominaria o hélio. Embora alguns cientistas nucleares como Green considerem que é “implausível”, outros estão interessados em testar a teoria, apenas “por precaução”.
“Este é um território relativamente desconhecido.Isso me parece muito atraente porque tenho uma grande fonte de nêutrons no meu quintal”, disse Leah Broussard, referindo-se à Fonte de Nêutrons de Espalação e ao Reator de Isótopos de Alto Fluxo, ambos de propriedade do Escritório de Ciência do Departamento de Energia.
Da esquerda para a direita:Os colaboradores do ORNL, Matthew Frost e Leah Broussard, estão trabalhando em um refletômetro de magnetismo em uma fonte de nêutrons de fissão que é usada para procurar nêutrons especulares. Crédito: Genevieve Martin / Laboratório Nacional Oak Ridge, Departamento de Energia dos EUA.
Para testar essa teoria, Broussard analisadados de um processo que simula um experimento de vida útil do feixe, mas é ajustado para capturar a assinatura de um parceiro de nêutron invisível em potencial. Ao lançar um feixe de nêutrons através de um campo magnético específico e, em seguida, interrompê-lo com um material que interrompe os nêutrons normais, ela e seus colegas podem ser capazes de determinar se existem nêutrons espelho.
Quaisquer que sejam os resultados que trouxeram issoexperimento, o trabalho para determinar a vida útil dos nêutrons continuará. “É muito significativo que existam tantas tentativas de medir com precisão o tempo de vida de um nêutron. Isto demonstra a reação altamente emocional dos cientistas à inconsistência neste campo – 'Quero finalmente descobrir!'” conclui Broussard. “Todo cientista é motivado pelo desejo de aprender, pelo desejo de compreender.”
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