Мистерија живота неутрона
Неутрон је један од градивних блокова материје. Само име сугерише
Али колико је времена потребно да се неутрон "распадне" остаје мистерија. И&нбсп;ево зашто.
Једна метода мерења мерења даје резултат од 887,7 секунди, плус-минус 2,2 секунде.
Друга метода показује 878,5 секунди, плус-минус 0,8 секунди.
Ево их, оних истих девет секунди које збуњују научнике.
У почетку се чинило да је до ове разлике дошлоосетљивост мерења. Савршено ваљана теорија. Међутим, научници и даље спроводе низ све тачнијих експеримената, али подмукло одступање и даље остаје.
Ова доследност у разлици података јасно указујенекој непознатој врсти физике, сигурни су научници. Ово може указивати на до сада непознат процес распада неутрона. Или би таква фундаментална неслагања могла да укаже на науку изван стандардног модела који научници тренутно користе да објасне сву физику честица. На крају крајева, постоји низ појава које Стандардни модел не објашњава у потпуности.&нбсп;
У ствари, није теорија свега, поштоне описује тамну материју, тамну енергију и не укључује гравитацију. Међутим, експериментална потврда постојања средњих векторских бозона средином 80-их завршила је изградњу Стандардног модела и његово прихватање као главног.
Па ипак, потреба за проширивањем моделанастао 2002. године након открића осцилација неутрина. Иначе, управо је потврда постојања Хиггс-овог бозона 2012. године завршила експериментално откривање елементарних честица предвиђених Стандардним моделом.
Да би се решио чудан несклад уживотни век неутрона&нбсп;Канцеларија за науку Министарства енергетике САД (ДОЕ) ради са другим савезним агенцијама, националним лабораторијама и универзитетима.
Зашто проучавати неутрон?
Нуклеарни физичари су први проучавали времеживот неутрона због његове важне улоге у физици. „У природи постоје неке темељне величине које су увек важне“, објашњава Јефф Греен, професор са Универзитета у Тенесију и физичар у Националној лабораторији Оак Ридге при Одељењу за енергетику. Већи део свог живота проучавао је живот неутрона - око 40 година. "Теорије долазе и одлазе, али животни век неутрона остаје кључан за многе процесе."
У ствари, неутрон је користан водич заразумевање других честица. Ово је најједноставнија радиоактивна честица, па се редовно распада на друге честице. Дакле, неутрон је тај који научницима даје добру представу о слабој сили. Сама сила одређује да ли се неутрони претварају у протоне или не. Често овај процес ослобађа енергију и узрокује распад језгара. Процеси слабе интеракције такође играју важну улогу у нуклеарној фузији, где се два протона комбинују.
Живот неутрона такође научницима може да пружи представу о томе шта се догодило непосредно после Великог праска. Примамљиво, зар не?
Илустрација експлозије неутронске звезде
Само неколико секунди након образовањапротони и неутрони, али пре него што су се спојили у елементе, време је почело. Свемир се брзо хладио. У неком тренутку се толико охладио да су се протони и неутрони готово тренутно комбиновали да би створили хелијум и водоник. Ако се неутрони распадају у протоне мало брже или спорије, то би имало огроман утицај на читав процес свемира. Универзум би имао сасвим другачију равнотежу елемената; вероватно је да сам живот уопште не би постојао.
Научници се надају да ће добити једноцифрени број заодређивање животног века неутрона како би могао бити укључен у разне једначине које описују Универзум. Неизвесност живота неутрона је прихватљива, али када је краћа од секунде. Међутим, добијање извесности само за један број показало се тежим него што су физичари очекивали.
Животни век неутрона један је од најмање познатих основних параметара стандардног модела.
Зхаоуен Танг је физичар у Националној лабораторији у Лос Аламосу (ЛАНЛ) америчког Министарства енергетике.
Да, наравно, разни појединциексперименти су успели да постигну потребан ниво тачности. Али недоследност између различитих врста експеримената спречава научнике да одреде одређени животни број неутрона.
Како је откривена недоследност података
Откривање да постојиразлика у подацима произашла је из жеље физичара да пруже одговоре на сва питања о универзуму. Коришћење две или више метода за мерење исте количине је најбољи начин да се осигура тачно мерење. Али научници не могу да поставе тајмере на неутронима како би видели како брзо пропадају. Уместо тога, они проналазе начине за мерење неутрона пре и после пропадања како би израчунали њихов животни век.
И ово је главни проблем.
Када физичари откидају неутроне из атомских језгара,ставе их у боцу и преброје колико ће неутрона остати у њој након неког времена, претпостављају да неутрони пролазе кроз радиоактивни распад у просеку након 14 минута 39 секунди. Али када други физичари створе зраке неутрона и преброје број протона који се појаве - честице које су продукти распадања слободних неутрона - они добијају просечан животни век од око 14 минута 48 секунди.
Несклад између мерења „боце“ и „снопа“ траје до данас.
Неслагања између мерења у „боци“ и„Зрак“ постоји од дана када су методе за израчунавање животног века неутрона почеле да дају резултате током 1990-их. У почетку су сва мерења била толико нетачна да нико због тога није био забринут. Али постепено су се обе методе побољшавале, и даље су се разликовале у својим проценама.
У експериментима са гредама користе се машинекоји стварају флуксеве неутрона. Научници мере број неутрона у одређеној запремини снопа. Затим усмеравају проток кроз магнетно поље у замку честица коју чине електрично и магнетно поље. Неутрони се распадају у замци у којој физичари мере количину протона који су остали.
Детектор протона у Националном институту за стандарде и технологију, коришћен у методи снопа.
Напротив, експерименти на боцама хватајуултрахладни неутрони у контејнеру. Ултрахладни неутрони путују много спорије од нормалних неутрона - неколико метара у секунди, у поређењу са 10 милиона метара у секунди из реакција цепања. Научници прво мере колико неутрона има у контејнеру, а затим поново након одређеног временског периода. Проучавајући разлику, они могу израчунати колико брзо неутрони пропадају.
Експеримент на УНЦтау у Лос Аламосу методом боце за мерење животног века неутрона
„У&нбсп;експерименту са флашом, они мере„Преживели“ су „мртви“ у експерименту радијације“, објашњава Грин. „Експеримент са флашом звучи лако, али је заправо веома тежак. С друге стране, експеримент са зрацима звучи компликовано и у стварности га је такође тешко извести.”
Грин и његови сарадници извршили су нова мерења у2013. на НИСТ-у, што им је помогло да још прецизније прерачунају експеримент са снопом који су спровели у истој лабораторији 2005. године. У овом тренутку, научници су завршили пет експеримената са боцама и два&нбсп; са гроздовима. Грин је био уверен да претходним експериментима са снопом недостаје један од највећих извора несигурности. Наиме, тачно пребројавање броја неутрона у снопу. Физичари су побољшали своја мерења ове варијабле како би била пет пута прецизнија. Али осам година мукотрпног рада оставило их је без ичега. Тачније, са истим заостатком у резултатима.
Научници који раде на експериментима сабоце, суочили се са властитим потешкоћама. Један од највећих изазова мерења био је спречавање губитка неутрона у интеракцији са материјалом од којег је контејнер направљен. Цурење мења број неутрона на крају распада и омета прорачуне.
За решавање овог проблема, у последЛАНЛ-ов експеримент са флашом, који је подржало Министарство науке САД, елиминисао је физичке зидове. Уместо тога, нуклеарни физичари су користили магнетна поља и гравитацију да држе неутроне на месту.
„Био сам уверен да ако смо то урадили, ми ћемоможемо учинити да неутрон живи дуже и сложити се са животним веком неутрона као резултат експеримената на снопу “, рекла је Цхен-Иу Лиу, жена професор на Универзитету Индиана која је водила експеримент. „То је била моја лична пристрасност“.
Али разлика остаје.„То је за мене био велики шок“, признала је касније, описујући резултате објављене 2018. године. Шанса да ће разлика настати услед случајности мања је од једне на 10 000. Али и даље би то могла бити последица експерименталне грешке.
Зашто долази до грешке?
Научници се суочавају са две врстенеизвесности или грешке у експериментима: статистичке или систематске. Статистичке грешке настају због недовољних података. Ово нас спречава да донесемо чврсте закључке. Добијање великих података смањује грешке.
Систематске грешке су основненеизвесност експеримента. Иначе, они често нису очигледни. Две врсте експеримената за живот неутрона имају потпуно различите потенцијалне систематске грешке. Да су резултати исти, експерименти би били одличан тест једни других. Али ово се не дешава.
„Најтежа ствар у мерењу века неутронаДа ли је и прекратко и предуго “, каже Хоогхеиде. „Испоставило се да је 15 минута заиста незгодно време за мерење у физици.
Стога нуклеарни научници и даље раде на прикупљању додатних података и минимизирању систематских грешака.
Вертикално - животни век неутрона у секундама. Црвена означава резултате експеримената са зрацима, плава - са бочицама.
„Једна од ствари које највише волиму мом пољу је изузетна пажња према детаљима и колико дубоко морате разумети сваки аспект експеримента да бисте направили поуздано мерење “, каже Леа Броуссард, нуклеарни физичар из ОРНЛ-а.
На НИСТ-у, Хоогерхеиде, Греен и други научнициспроводе нови експеримент са снопом који истражује сваки могући проблем што је потпуније могуће. Нажалост, свако подешавање за сваки експеримент утиче на следеће резултате, тако да се овај рад заснива на систему „два корака напред, један корак назад”.
Други рад је усмерен на проналажење нових начина за мерење животног века неутрона.
Истраживачи са Универзитета Џонс Хопкинс иУниверзитет Дурхам у Великој Британији, уз подршку америчког Министарства енергетике, смислио је како да користи НАСА-ине податке за мерење века неутрона. На основу неутрона који произлазе из Венере и Меркура, израчунали су животни век од 780 секунди са грешком од 130 секунди. Али пошто прикупљање података није дизајнирано у ту сврху, несигурност је превисока да би се утврдила разлика у животном веку честица. Зхаоуен Танг, физичар из Националне лабораторије Лос Аламос, поставља експеримент који је нешто између експеримената са бочицама и сноповима. Уместо да на крају мери протоне, он ће мерити електроне.
Потпуно нови приступ. Али изгледа да су се све друге опције исцрпиле?
Или не?
Нове теорије. Од радикалних идеја до научне фантастике
Наравно, увек постоји могућност да разлика у мерењима директно указује на празнину у нашем знању о овој основној честици - неутрону.
&нбсп;Танг признаје да не планира да одустанеексперименти. „Постоји толико примера људи који су приметили нешто изузетно, а онда једноставно окривили грешку што нису радили довољно напорно. И неко други је радио и добио Нобелову награду.
Једна теорија за мистерију живота неутрона јеје да је уништен на начине које научници једноставно не знају. Може се распасти на честице различите од познате комбинације протона, електрона и антинеутрина. Ако је тако, онда ово објашњава зашто неутронинестати у експериментима са боцама,али одговарајући износпротони који нису откривени у експериментима са снопом.
Друге идеје су још радикалније.
Неки теоретичари сугеришу да неутронираспад у гама зраке и мистериозну тамну материју. Тамна материја чини 75% материје у свемиру, али колико научници знају, она са обичном материјом ступа у интеракцију само гравитацијом. Да би тестирали ову теорију, група научника из ЛАНЛ-а покренула је верзију експеримента са боцом у којем су мерили неутроне и гама зраке. Али предложени гама зраци се нису остварили, а научници немају доказе о појави тамне материје из неутрона.
Друга могућа је ствар огледалаконцепт који звучи као научна фантастика. Теоретски, неутрони који недостају могу се претворити у неутроне огледала, односно тачне копије које постоје у супротном Универзуму. Развијајући се другачије од нашег Универзума, овај Универзум огледала би био много хладнији и у њему би преовладавао хелијум. Док неки нуклеарни научници попут Грина мисле да је то „невероватно“, други су заинтересовани да тестирају теорију, само „за сваки случај“.
„Ово је релативно непозната територија.То ми звучи веома привлачно јер имам одличан извор неутрона у свом дворишту“, рекла је Леа Броуссард, мислећи на Спаллатион Неутрон Соурце и Хигх Флук Исотоп Реацтор, оба у власништву Канцеларије за науку Министарства енергетике.
С лева на десно:Сарадници ОРНЛ-а Маттхев Фрост и Леах Броуссард раде на магнетном рефлектометру у фисионом неутронском извору који се користи за тражење спекуларних неутрона. Заслуге: Национална лабораторија Геневиеве Мартин / Оак Ридге, америчко Министарство енергетике.
Да би тестирао ову теорију, Броуссард анализираподаци из процеса који симулира експеримент током трајања снопа, али је подешен да ухвати потпис потенцијалног невидљивог неутронског партнера. Лансирањем снопа неутрона кроз одређено магнетно поље, а затим заустављањем са материјалом који зауставља нормалне неутроне, она и њене колеге можда ће моћи да утврде да ли постоје огледални неутрони.
Какви год&нбсп;резултати&нбсп;ово су донелиексперимент, рад на одређивању животног века неутрона ће се наставити. „Веома је значајно да постоји толико покушаја да се тачно измери животни век неутрона. Ово говори о веома емотивној реакцији научника на недоследност у овој области – „Желим да коначно сазнам!““ закључује Броуссард. „Сваки научник је мотивисан жељом да учи, жељом да разуме.
Прочитајте такође
На претећем Земљином астероиду Апопхис је приметио опасан феномен. Шта се дешава?
Научници су открили зашто су деца најопаснији преносиоци ЦОВИД-19
Шта је Паркер соларна сонда открила када је летела што ближе Сунцу