Misterul vieții neutronului
Neutronul este unul dintre blocurile de construcție ale materiei.
Dar cât timp durează ca un neutron să se "destrame " rămâne un mister. de ce.
O metodă măsoară măsurarea, dă rezultatulLa 887,7 secunde, dați sau luați 2,2 secunde.
O altă metodă arată 878,5 secunde, plus sau minus 0,8 secunde.
Iată-le, aceleași nouă secunde care încurcă oamenii de știință.
La început părea că această diferență se datoreazăsensibilitate de măsurare. O teorie perfect valabilă. Cu toate acestea, oamenii de știință continuă să efectueze o serie de experimente din ce în ce mai exacte, iar discrepanța insidioasă rămâne în continuare.
O astfel de constanță în diferența de date indică în mod clar un tip necunoscut de fizică, oamenii de știință sunt siguri.Acest lucru poate indica un proces necunoscut până acum de dezintegrare a neutronilor.Sau o astfel de discrepanță fundamentală poate indica știința dincolo de modelul standard utilizat în prezentLa urma urmei, există o serie de fenomene pe care Modelul Standard nu le explicăcomplet.
De fapt, nu este o teorie a tuturor, deoarece nu descriemateria întunecată, energia întunecată și nu include gravitația.Cu toate acestea, confirmarea experimentală a existenței bosonilor vectoriali intermediari la mijlocul anilor 1980 a finalizat construcția modelului standard și acceptarea acestuia ca model principal.
Și totuși, nevoia de a extinde modelula apărut în 2002 după descoperirea oscilațiilor neutrinoase. Apropo, confirmarea existenței bosonului Higgs în 2012 a fost cea care a finalizat detectarea experimentală a particulelor elementare prezise de modelul standard.
Pentru a dezvălui discrepanța ciudată în durata de viață a neutronilor , Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA (DOE) lucreazăcu alte agenții federale, laboratoare naționale și universități.
De ce să studiem neutronul?
Fizicienii nucleari au fost primii care au studiat timpulviața neutronului datorită rolului său important în fizică. „Există câteva cantități fundamentale în natură care sunt întotdeauna importante”, explică Jeff Green, profesor la Universitatea din Tennessee și fizician la Laboratorul Național Oak Ridge din cadrul Departamentului de Energie. El a studiat durata de viață a neutronilor pentru cea mai mare parte a vieții sale - aproximativ 40 de ani. „Teoriile vin și pleacă, dar durata de viață a neutronilor rămâne centrală pentru multe procese”.
De fapt, neutronul este un ghid util pentru înțelegerea altor particule.Este cea mai simplă particulă radioactivă, deci se descompune în mod regulat în alte particule.Astfel, neutronul este cel care oferă oamenilor de știință o idee bună despre interacțiunea slabă. Însăși forța care determină dacă neutronii se transformă în protoni sau nu. Adesea, acest proces eliberează energie și cauzeazăProcesele slabe de interacțiune joacă, de asemenea, un rol important în fuziunea nucleară, unde doi protoni se combină.
Viața neutronului poate, de asemenea, să ofere oamenilor de știință o idee despre ceea ce sa întâmplat imediat după Big Bang. Ispititor, nu-i așa?
Ilustrație de explozie a stelei de neutroni
La doar câteva secunde după educațieprotoni și neutroni, dar înainte de a se combina în elemente, timpul a început. Universul se răcea rapid. La un moment dat, s-a răcit atât de mult încât protonii și neutronii s-au combinat aproape instantaneu pentru a forma heliu și hidrogen. Dacă neutronii s-ar descompune în protoni puțin mai repede sau mai încet, ar avea un impact uriaș asupra întregului proces al universului. Universul ar avea un echilibru de elemente foarte diferit; este probabil ca viața însăși să nu existe deloc.
Oamenii de știință speră să obțină un număr dintr-o singură cifrădefinirea duratei de viață a neutronilor, astfel încât să poată fi inclusă în diferite ecuații care descriu Universul. Incertitudinea duratei de viață a neutronilor este acceptabilă, dar atunci când este mai puțin de o secundă. Cu toate acestea, obținerea certitudinii asupra unui singur număr sa dovedit a fi mai dificilă decât se așteptau fizicienii.
Durata de viață a neutronilor este unul dintre cei mai puțin cunoscuți parametri fundamentali ai modelului standard.
Zhaouen Tang este fizician la Laboratorul Național Los Alamos (LANL) al Departamentului de Energie al SUA.
Da, desigur, diverse persoaneexperimentele au reușit să atingă nivelul de precizie necesar. Dar inconsecvența dintre diferitele tipuri de experimente îi împiedică pe oamenii de știință să determine un număr specific de viață a neutronilor.
Cum a fost descoperită inconsecvența datelor
Aflând că existădiferența de date a apărut din dorința fizicienilor de a oferi răspunsuri la toate întrebările despre univers. Utilizarea a două sau mai multe metode pentru a măsura aceeași cantitate este cea mai bună modalitate de a asigura măsurarea exactă. Dar oamenii de știință nu pot seta temporizatoare pe neutroni pentru a vedea cât de repede se descompun. În schimb, ei găsesc modalități de a măsura neutronii înainte și după decădere pentru a-și calcula durata de viață.
Și aceasta este principala problemă.
Când fizicienii smulg neutronii din nucleele atomice,le pun într-o sticlă și calculează câți neutroni vor rămâne în ea după ceva timp, presupun că neutronii suferă o degradare radioactivă în medie după 14 minute 39 de secunde. Dar când alți fizicieni creează fascicule de neutroni și numără numărul de protoni care apar - particule care sunt produse de descompunere a neutronilor liberi - au o durată medie de viață de aproximativ 14 minute și 48 de secunde.
Discrepanța dintre măsurătorile „sticlei” și „fasciculului” persistă.
Discrepanțe între măsurătorile din "sticlă" și„Raza” a existat încă din zilele în care metodele de calcul al duratei de viață a neutronilor au început să dea rezultate în anii '90. La început, toate măsurătorile erau atât de inexacte încât nimeni nu era îngrijorat de asta. Dar treptat ambele metode s-au îmbunătățit și au diferit în ceea ce privește estimările lor.
În experimentele cu fascicul, se folosesc mașinicare creează fluxuri de neutroni. Oamenii de știință măsoară numărul de neutroni dintr-un anumit volum al fasciculului. Apoi direcționează fluxul prin câmpul magnetic într-o capcană de particule formată din câmpurile electrice și magnetice. Neutronii se descompun într-o capcană în care fizicienii măsoară cantitatea de protoni rămași în urmă.
Detector de protoni la Institutul Național de Standarde și Tehnologie, utilizat în metoda fasciculului.
Dimpotrivă, experimentele cu sticle prindneutroni ultracold într-un recipient. Neutronii ultracold călătoresc mult mai încet decât neutronii normali - câțiva metri pe secundă, comparativ cu 10 milioane de metri pe secundă din reacțiile de fisiune. Oamenii de știință măsoară câți neutroni sunt mai întâi în recipient și apoi din nou după o anumită perioadă de timp. Studiind diferența, ei pot calcula cât de repede au decăzut neutronii.
Experimentați la UNCtau la Los Alamos folosind metoda sticlei pentru a măsura durata de viață a neutronilor
"În experimentul cu sticla, «supraviețuitorii» sunt măsurați, în experimentul cu radiații, «morții» ", explică Green. ExperimentCu o sticlă sună ușor, dar este de fapt foarte dificil. Sună dificil cu razele și , în practică , este, de asemenea, dificil să o realizezi."
Green și colaboratorii săi au efectuat noi măsurători în 2013 la NIST, care i-au ajutat să recalculeze experimentul și mai precisfascicul pe care l-au efectuat în același laborator în 2005.Până în acest moment, oamenii de știință au finalizat cinci experimente cu sticla și două cu fasciculele.Green era convins că experimentele anterioare cu fasciculul au trecut cu vederea una dintre cele mai mari surse de incertitudine.Fizicienii și-au îmbunătățit măsurătorile acestei variabile pentru a le face de cinci ori mai precise.Dar opt ani de muncă grea i-au lăsat fără nimic.Mai exact, cu același decalaj în rezultate.
Oamenii de știință care lucrează la experimente custicle, s-au confruntat cu propriile dificultăți. Una dintre cele mai mari provocări de măsurare a fost aceea de a preveni pierderea de neutroni atunci când interacționează cu materialul din care este fabricat containerul. Scurgerea modifică numărul de neutroni la sfârșitul decaderii și interferează cu calculele.
Pentru a rezolva această problemă, cel mai recent experiment cu sticle de la LANL, care a fost susținut de Departamentul de Știință al SUA, a eliminat pereții fizici.În schimb, fizicienii nucleari au folosit câmpurile magnetice și gravitația pentru a menține neutronii în poziție.
„Eram convins că dacă facem asta, noiputem face ca neutronul să trăiască mai mult și să fim de acord cu durata de viață a neutronilor ca urmare a experimentelor cu fascicul ”, a spus Chen-Yu Liu, profesor de sex feminin la Universitatea Indiana care a condus experimentul. „Aceasta a fost părtinirea mea personală”.
Dar diferența rămâne.„A fost un mare șoc pentru mine”, a recunoscut ea mai târziu, descriind rezultatele, publicate în 2018. Șansa ca diferența să fie cauzată de coincidență este mai mică de una din 10.000, dar s-ar putea datora unei erori experimentale.
De ce apare eroarea?
Oamenii de știință se confruntă cu două tipuriincertitudini sau erori în experimente: statistice sau sistematice. Erorile statistice apar din datele insuficiente. Acest lucru nu ne permite să tragem concluzii ferme. Obținerea de date mari reduce erorile.
Erorile sistematice sunt fundamentaleincertitudinea experimentului. Apropo, adesea nu sunt evidente. Cele două tipuri de experimente pe durata de viață a neutronilor au erori sistematice potențial complet diferite. Dacă rezultatele ar fi aceleași, experimentele ar fi un test excelent reciproc. Dar acest lucru nu se întâmplă.
„Cel mai dificil lucru în măsurarea duratei de viață a neutronilorEste că este atât scurt cât și prea lung ”, spune Hoogerheide. "Se pare că 15 minute este un moment foarte incomod pentru a măsura în fizică".
Prin urmare, oamenii de știință din domeniul nuclear continuă să lucreze pentru a colecta date suplimentare și a minimiza erorile sistematice.
Vertical - durata de viață a neutronilor în câteva secunde. Roșu marchează rezultatele experimentelor cu raze, albastru - cu sticle.
„Unul dintre lucrurile care îmi plac cel mai multîn domeniul meu, este o atenție excepțională pentru detalii și cât de profund trebuie să înțelegeți fiecare aspect al experimentului dvs. pentru a face o măsurare de încredere ", spune Leah Broussard, fizician nuclear la ORNL.
La NIST, Hoogerheide, Green și alți oameni de știință efectuează un nou experiment cu fascicul care investighează Din păcate, fiecare setare pentru fiecare experiment are un impactpe următoarele rezultate, deci această lucrare se bazează pe sistemul "doi pași înainte , un pas înapoi".
Alte lucrări vizează găsirea de noi modalități de măsurare a duratei de viață a unui neutron.
Cercetători de la Universitatea Johns Hopkins șiUniversitatea Durham din Marea Britanie, cu sprijinul Departamentului SUA pentru Energie, a aflat cum să folosească datele NASA pentru a măsura durata de viață a neutronilor. Pe baza neutronilor care emană de la Venus și Mercur, aceștia au calculat o durată de viață de 780 de secunde, cu o eroare de 130 de secunde. Dar, deoarece colectarea datelor nu este concepută în acest scop, incertitudinea este prea mare pentru a determina o diferență în durata de viață a particulelor. Zhaouen Tang, fizician la Laboratorul Național Los Alamos, înființează un experiment care este o încrucișare între experimentele cu sticle și fascicule. În loc să măsoare protoni la final, va măsura electronii.
O abordare complet nouă. Dar se pare că toate celelalte opțiuni s-au epuizat?
Sau nu?
Noi teorii. De la idei radicale la science fiction
Desigur, există întotdeauna posibilitatea ca diferența de măsurători să indice direct un decalaj în cunoștințele noastre despre această particulă fundamentală - neutronul.
Tang recunoaște că nu are de gând să renunțeexperimente. „Există atât de multe exemple de oameni care au observat ceva extraordinar și apoi pur și simplu au dat vina pe greșeala de a nu munci suficient de mult.” Și altcineva a lucrat și a primit Premiul Nobel.”
O teorie pentru misterul vieții neutronului esteeste că este distrus în moduri pe care oamenii de știință pur și simplu nu le cunosc. Se poate degrada în particule diferite de combinația familiară de protoni, electroni și antineutrino. Dacă da, atunci aceasta explică de ce neutroniidispare în experimentele cu sticle,dar suma corespunzătoareprotoni nedetectați în experimentele cu fascicul.
Alte idei sunt și mai radicale.
Unii teoreticieni sugerează că neutroniidescompune în raze gamma și misterioasă materie întunecată. Materia întunecată reprezintă 75% din materia din univers, dar, din câte știu oamenii de știință, interacționează cu materia obișnuită doar prin gravitație. Pentru a testa această teorie, un grup de oameni de știință de la LANL au realizat o versiune a experimentului de sticlă în care au măsurat neutronii și razele gamma. Dar razele gamma propuse nu s-au materializat, iar oamenii de știință nu au dovezi ale apariției materiei întunecate din neutroni.
Materia oglinzilor este o altă posibilitateun concept care sună a science fiction. Teoretic, neutronii „lipsă” se pot transforma în neutroni oglindă, și anume, copii exacte care există în Universul opus. Dezvoltându-se altfel decât Universul nostru, acest Univers oglindă ar fi mult mai rece și heliul ar predomina în el. În timp ce unii oameni de știință nuclear, precum Green, cred că este „neplauzibil”, alții sunt interesați să testeze teoria, doar „pentru orice eventualitate”.
„Acesta este un teritoriu relativ neexplorat.Sună foarte atractiv pentru mine, deoarece am o sursă grozavă de neutroni în curtea mea”, a spus Leah Broussard, referindu-se la Sursa de neutroni de spalare și Reactorul cu izotop cu flux ridicat, ambele deținute de Biroul de Știință al Departamentului de Energie. ORNL.
De la stanga la dreapta:Colaboratorii ORNL, Matthew Frost și Leah Broussard, lucrează la un reflectometru de magnetism într-o sursă de neutroni de fisiune care este utilizată pentru a căuta neutroni speculari. Credit: Laboratorul Național Genevieve Martin / Oak Ridge, Departamentul Energiei al SUA.
Pentru a testa această teorie, analizează Broussarddate dintr-un proces care simulează un experiment cu durata de viață a fasciculului, dar este reglat pentru a surprinde semnătura unui potențial partener de neutroni invizibili. Prin lansarea unui fascicul de neutroni printr-un câmp magnetic specific și apoi oprirea acestuia cu un material care oprește neutronii normali, ea și colegii săi pot determina dacă există neutroni oglindă.
Indiferent de rezultatele a adus acest lucruexperiment, munca pentru a determina durata de viață a neutronilor va continua. „Este foarte semnificativ faptul că există atât de multe încercări de a măsura cu exactitate durata de viață a unui neutron. Aceasta vorbește despre reacția extrem de emoțională a oamenilor de știință față de inconsecvența din acest domeniu: „Vreau să aflu în sfârșit!””, conchide Broussard. „Fiecare om de știință este motivat de dorința de a învăța, de dorința de a înțelege.”
Citește și
Pe amenințătorul asteroid Pământ, Apophis a observat un fenomen periculos. Ce se întâmplă?
Oamenii de știință au aflat de ce copiii sunt cei mai periculoși purtători de COVID-19
Ceea ce a descoperit Parker Solar Probe când a zburat cât mai aproape de Soare