ความลึกลับของชีวิตของนิวตรอน
นิวตรอนเป็นส่วนประกอบหนึ่งของสสาร ชื่อนั้นบ่งบอกถึงตัวมันเอง
แต่จะใช้เวลานานแค่ไหนกว่านิวตรอนจะ "แตกสลาย" ยังคงเป็นปริศนา และนี่คือเหตุผล
วิธีการวัดวิธีหนึ่งให้ผลลัพธ์ 887.7 วินาที บวกหรือลบ 2.2 วินาที
อีกวิธีหนึ่งแสดง 878.5 วินาทีบวกหรือลบ 0.8 วินาที
นี่คือเก้าวินาทีที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สับสน
ตอนแรกดูเหมือนว่าความแตกต่างนี้เกิดจากความไวในการวัด ทฤษฎีที่ถูกต้องสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการทดลองที่แม่นยำมากขึ้นเรื่อย ๆ และความคลาดเคลื่อนที่ร้ายกาจยังคงอยู่
Такое постоянство в разнице данных явно указывает на какой-то неизвестный тип физики, уверены ученые. Это может свидетельствовать о неизвестном до сих пор процессе распада нейтрона. Или столь принципиальное расхождение может указывать на науку, выходящую за рамки стандартной модели, которую в настоящее время используют ученые для объяснения всей физики элементарных частиц. В конце-концов, есть ряд явлений, которые Стандартная модель не объясняет полностью.
По сути, она не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Однако экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.
และยังจำเป็นต้องขยายแบบจำลองเกิดขึ้นในปี 2545 หลังจากการค้นพบการสั่นของนิวตริโน อย่างไรก็ตามมันเป็นการยืนยันการมีอยู่ของ Higgs boson ในปี 2012 ซึ่งเสร็จสิ้นการทดลองตรวจจับอนุภาคมูลฐานที่ทำนายโดย Standard Model
Чтобы разгадать странное несоответствие во времени жизни нейтрона Управление науки Министерства энергетики США (DOE) работает с другими федеральными агентствами, национальными лабораториями и университетами.
ทำไมต้องศึกษานิวตรอน?
นักฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นกลุ่มแรกที่ศึกษาเวลาชีวิตของนิวตรอนเนื่องจากมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์ “ มีปริมาณพื้นฐานในธรรมชาติที่สำคัญเสมอ” เจฟฟ์กรีนศาสตราจารย์และนักฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยเทนเนสซีจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ภายใต้กระทรวงพลังงานอธิบาย เขาศึกษาอายุการใช้งานของนิวตรอนเกือบตลอดชีวิต - ประมาณ 40 ปี "ทฤษฎีเกิดขึ้นและดำเนินไป แต่อายุการใช้งานของนิวตรอนยังคงเป็นศูนย์กลางของกระบวนการต่างๆ
На самом деле нейтрон — полезное руководство для понимания других частиц. Это — простейшая радиоактивная частица, следовательно она регулярно распадается на другие частицы. Таким образом, именно нейтрон дает хорошее представление ученым о слабом взаимодействии. О той самой силе, которая определяет, превращаются ли нейтроны в протоны или нет. Часто этот процесс высвобождает энергию и заставляет ядра распадаться. Процессы слабого взаимодействия также играет важную роль в ядерном синтезе, где два протона соединяются.
อายุการใช้งานของนิวตรอนยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบถึงสิ่งที่เกิดขึ้นทันทีหลังจากบิ๊กแบง ล่อใจไม่ใช่เหรอ?
ภาพประกอบการระเบิดของดาวนิวตรอน
เพียงไม่กี่วินาทีหลังจากการศึกษาโปรตอนและนิวตรอน แต่ก่อนที่จะรวมกันเป็นองค์ประกอบเวลาเริ่มต้นขึ้น เอกภพเย็นลงอย่างรวดเร็ว เมื่อถึงจุดหนึ่งมันเย็นลงมากจนโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเกือบจะในทันทีเพื่อสร้างฮีเลียมและไฮโดรเจน หากนิวตรอนสลายตัวเป็นโปรตอนเร็วขึ้นหรือช้าลงเล็กน้อยสิ่งนี้จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการทั้งหมดของจักรวาล จักรวาลจะมีความสมดุลขององค์ประกอบที่แตกต่างกันมาก มีแนวโน้มว่าชีวิตจะไม่มีอยู่จริง
นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้ตัวเลขหลักเดียวสำหรับนิยามอายุการใช้งานของนิวตรอนเพื่อให้สามารถรวมอยู่ในสมการต่างๆที่อธิบายเอกภพได้ ความไม่แน่นอนของอายุการใช้งานนิวตรอนเป็นสิ่งที่ยอมรับได้ แต่เมื่อน้อยกว่าหนึ่งวินาที อย่างไรก็ตามการได้รับความแน่นอนในตัวเลขเพียงตัวเดียวนั้นพิสูจน์แล้วว่ายากกว่าที่นักฟิสิกส์คาดไว้
อายุการใช้งานของนิวตรอนเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์พื้นฐานที่รู้จักกันน้อยที่สุดของแบบจำลองมาตรฐาน
Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США (LANL).
ใช่แน่นอนบุคคลต่างๆการทดลองสามารถบรรลุระดับความแม่นยำที่ต้องการได้ แต่ความไม่สอดคล้องกันระหว่างการทดลองประเภทต่างๆทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถกำหนดจำนวนชีวิตนิวตรอนที่เฉพาะเจาะจงได้
วิธีค้นพบความไม่สอดคล้องกันของข้อมูล
หาว่ามีความแตกต่างของข้อมูลเกิดขึ้นเนื่องจากความต้องการของนักฟิสิกส์ที่จะให้คำตอบสำหรับคำถามทั้งหมดเกี่ยวกับจักรวาล การใช้วิธีการสองวิธีขึ้นไปเพื่อวัดปริมาณที่เท่ากันเป็นวิธีที่ดีที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดถูกต้อง แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถตั้งตัวจับเวลาบนนิวตรอนเพื่อดูว่ามันสลายตัวเร็วแค่ไหน แต่พวกเขาหาวิธีวัดนิวตรอนก่อนและหลังสลายตัวเพื่อคำนวณอายุการใช้งาน
และนี่คือปัญหาหลัก
เมื่อนักฟิสิกส์ฉีกนิวตรอนจากนิวเคลียสของอะตอมพวกเขาใส่ไว้ในขวดและคำนวณจำนวนนิวตรอนที่จะยังคงอยู่ในนั้นหลังจากผ่านไประยะหนึ่งพวกเขาคิดว่านิวตรอนได้รับการสลายกัมมันตภาพรังสีโดยเฉลี่ยหลังจาก 14 นาที 39 วินาที แต่เมื่อนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ สร้างลำแสงนิวตรอนและนับจำนวนโปรตอนที่ปรากฏ - อนุภาคที่สลายตัวของนิวตรอนอิสระจะมีเวลาชีวิตเฉลี่ยประมาณ 14 นาที 48 วินาที
ความคลาดเคลื่อนระหว่างการวัด "ขวด" และ "คาน" ยังคงมีอยู่
ความแตกต่างระหว่างการวัดใน "ขวด" และ"เรย์" มีมาตั้งแต่สมัยที่วิธีการคำนวณอายุการใช้งานของนิวตรอนเริ่มให้ผลลัพธ์ในปี 1990 ในตอนแรกการวัดทั้งหมดไม่แม่นยำมากจนไม่มีใครกังวลเกี่ยวกับเรื่องนี้ แต่วิธีการทั้งสองค่อยๆดีขึ้นและยังคงแตกต่างกันในการประมาณการ
ในการทดลองลำแสงจะใช้เครื่องจักรซึ่งสร้างฟลักซ์ของนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์วัดจำนวนนิวตรอนในปริมาตรเฉพาะของลำแสง จากนั้นพวกเขากำหนดทิศทางการไหลผ่านสนามแม่เหล็กไปยังกับดักอนุภาคที่เกิดจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก นิวตรอนสลายตัวในกับดักที่นักฟิสิกส์วัดปริมาณโปรตอนที่ตกค้าง
เครื่องตรวจจับโปรตอนที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติใช้ในวิธีลำแสง
ในทางตรงกันข้ามการทดลองขวดจับนิวตรอนอัลตราไวโอเลตในภาชนะ นิวตรอน Ultracold เคลื่อนที่ช้ากว่านิวตรอนปกติมาก - ไม่กี่เมตรต่อวินาทีเทียบกับ 10 ล้านเมตรต่อวินาทีจากปฏิกิริยาฟิชชัน นักวิทยาศาสตร์จะวัดจำนวนนิวตรอนที่อยู่ในภาชนะก่อนจากนั้นอีกครั้งหลังจากผ่านไประยะเวลาหนึ่ง จากการศึกษาความแตกต่างพวกเขาสามารถคำนวณได้ว่านิวตรอนสลายตัวเร็วเพียงใด
ทดลองที่ UNCtau ที่ Los Alamos โดยใช้วิธีการบรรจุขวดเพื่อวัดอายุการใช้งานของนิวตรอน
«В эксперименте с бутылкой измеряются „выжившие“, в лучевом эксперименте — „мертвые“», — объясняет Грин. «Эксперимент с бутылкой звучит легко, но на самом деле очень труден. С другой стороны, эксперимент с лучами звучит сложно и на деле его проводить также сложно».
Грин и его сотрудники провели новые измерения в 2013 году в NIST, которые помогли им еще точнее пересчитать эксперимент пучка, который они проводили в той же лаборатории в 2005 году. К этому моменту ученые завершили пять экспериментов с бутылкой и два — с пучками. Грин был убежден, что предыдущие эксперименты с пучком упускали из виду один из самых больших источников неопределенности. А именно — точный подсчет количества нейтронов в пучке. Физики улучшили свои измерения этой переменной, чтобы сделать их в пять раз точнее. Но восемь лет напряженной работы оставил их ни с чем. Точнее, с тем же самым разрывом в результатах.
นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองกับขวดต้องเผชิญกับความยากลำบากของตัวเอง ความท้าทายในการวัดที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งคือการป้องกันการสูญเสียนิวตรอนเมื่อทำปฏิกิริยากับวัสดุที่ใช้ทำภาชนะ การรั่วไหลจะเปลี่ยนจำนวนนิวตรอนเมื่อสิ้นสุดการสลายตัวและรบกวนการคำนวณ
Чтобы решить эту проблему, в последнем эксперименте с бутылкой в LANL, который проводился при поддержке Министерства науки США, были устранены физические стены. Вместо этого физики-ядерщики использовали магнитные поля и гравитацию, чтобы удерживать нейтроны на месте.
“ ฉันเชื่อมั่นว่าถ้าเราทำเช่นนี้เราเราสามารถทำให้นิวตรอนมีอายุยืนยาวขึ้นและเห็นด้วยกับอายุการใช้งานของนิวตรอนอันเป็นผลมาจากการทดลองลำแสง” Chen-Yu Liu ศาสตราจารย์หญิงแห่งมหาวิทยาลัยอินเดียนาผู้เป็นผู้นำการทดลองกล่าว "นั่นเป็นอคติส่วนตัวของฉัน"
แต่ความแตกต่างยังคงอยู่“ มันเป็นเรื่องที่น่าตกใจมากสำหรับฉัน” เธอยอมรับในภายหลังโดยอธิบายถึงผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ในปี 2018 ความน่าจะเป็นที่ความแตกต่างจะเกิดจากความบังเอิญนั้นน้อยกว่า 1 ใน 10,000 แต่อาจเกิดจากข้อผิดพลาดในการทดลอง
เหตุใดข้อผิดพลาดจึงเกิดขึ้น
นักวิทยาศาสตร์กำลังเผชิญหน้ากับสองประเภทความไม่แน่นอนหรือข้อผิดพลาดในการทดลอง: ทางสถิติหรือระบบ ข้อผิดพลาดทางสถิติเกิดจากข้อมูลไม่เพียงพอ สิ่งนี้ทำให้เราไม่สามารถสรุปได้อย่างชัดเจน การรับข้อมูลขนาดใหญ่ช่วยลดข้อผิดพลาด
ข้อผิดพลาดของระบบเป็นพื้นฐานความไม่แน่นอนของการทดลอง อย่างไรก็ตามพวกเขามักจะไม่ชัดเจน การทดลองอายุการใช้งานของนิวตรอนทั้งสองประเภทมีข้อผิดพลาดเชิงระบบที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง หากผลลัพธ์เหมือนกันการทดลองจะเป็นการทดสอบที่ดีเยี่ยมซึ่งกันและกัน แต่นั่นไม่ได้เกิดขึ้น
"สิ่งที่ยากที่สุดในการวัดอายุการใช้งานนิวตรอน- มันทั้งสั้นและยาวเกินไป” Hoogheide กล่าว "ปรากฎว่า 15 นาทีเป็นเวลาที่ไม่สะดวกในการวัดผลทางฟิสิกส์"
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์จึงยังคงทำงานเพื่อรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติมและลดข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบ
แนวตั้ง - อายุการใช้งานของนิวตรอนเป็นวินาที สีแดงแสดงผลการทดลองด้วยรังสีสีน้ำเงิน - พร้อมขวด
“ สิ่งหนึ่งที่ฉันชอบมากที่สุดในสาขาของฉันการใส่ใจในรายละเอียดเป็นพิเศษและคุณต้องเข้าใจอย่างลึกซึ้งในทุกแง่มุมของการทดลองเพื่อให้การวัดผลที่เชื่อถือได้” ลีอาห์บรุสซาร์ดนักฟิสิกส์นิวเคลียร์ของ ORNL กล่าว
В NIST Хугерхайде, Грин и другие ученые проводят новый эксперимент с пучком, который исследует каждую возможную проблему настолько полно, насколько это вообще возможно. К сожалению, каждая настройка для каждого эксперимента влияет на последующие результаты, поэтому эта работа по системе «два шага вперед — один шаг назад».
Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Johns Hopkins และมหาวิทยาลัยเดอแรมสหราชอาณาจักรโดยได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้หาวิธีใช้ข้อมูลของ NASA เพื่อวัดอายุการใช้งานของนิวตรอน ขึ้นอยู่กับนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากดาวศุกร์และดาวพุธพวกมันคำนวณอายุการใช้งานได้ 780 วินาทีโดยมีข้อผิดพลาด 130 วินาที แต่เนื่องจากการรวบรวมข้อมูลไม่ได้มีไว้เพื่อจุดประสงค์นี้ความไม่แน่นอนจึงสูงเกินไปที่จะกำหนดความแตกต่างในชีวิตของอนุภาค Zhaouen Tang นักฟิสิกส์จาก Los Alamos National Laboratory ได้ทำการทดลองที่เป็นการผสมผสานระหว่างการทดลองขวดและลำแสง แทนที่จะวัดโปรตอนในตอนท้ายจะวัดอิเล็กตรอน
แนวทางใหม่ที่สมบูรณ์ แต่ดูเหมือนตัวเลือกอื่น ๆ จะหมดไปเอง?
หรือไม่?
Новые теории. От радикальных идей до научной фантастики
แน่นอนว่ามีความเป็นไปได้เสมอที่ความแตกต่างในการวัดจะบ่งบอกถึงช่องว่างในความรู้ของเราเกี่ยวกับอนุภาคพื้นฐานนี้โดยตรงนั่นคือนิวตรอน
Танг признается, что не собирается бросать эксперименты. «Есть так много примеров людей, которые наблюдали нечто экстраординарное, а потом просто сослались на ошибку, не поработали достаточно усердно… А кто-то другой — поработал, и получил Нобелевскую премию».
Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны หายไปจากการทดลองกับขวด но соответствующее количество ไม่พบโปรตอนในการทดลองลำแสง.
Другие идеи еще более радикальны.
นักทฤษฎีบางคนเสนอว่านิวตรอนสลายตัวเป็นรังสีแกมมาและสสารมืดลึกลับ สสารมืดคิดเป็น 75% ของสสารในเอกภพ แต่เท่าที่นักวิทยาศาสตร์ทราบมีปฏิสัมพันธ์กับสสารธรรมดาผ่านแรงโน้มถ่วงเท่านั้น เพื่อทดสอบทฤษฎีนี้กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่ LANL ได้ทำการทดลองขวดรุ่นที่พวกเขาวัดนิวตรอนและรังสีแกมมา แต่รังสีแกมมาที่นำเสนอไม่ได้เกิดขึ้นจริงและนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่มีหลักฐานการปรากฏตัวของสสารมืดจากนิวตรอน
Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».
«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.
จากซ้ายไปขวา:Matthew Frost และ Leah Broussard ผู้ทำงานร่วมกันของ ORNL กำลังทำงานกับเครื่องสะท้อนแม่เหล็กในแหล่งนิวตรอนฟิชชันที่ใช้ในการค้นหานิวตรอนแบบ specular เครดิต: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy
เพื่อทดสอบทฤษฎีนี้ Broussard วิเคราะห์ข้อมูลจากกระบวนการที่เลียนแบบการทดลองอายุการใช้งานของลำแสง แต่ได้รับการปรับแต่งเพื่อจับลายเซ็นของคู่หูนิวตรอนที่มองไม่เห็น ด้วยการปล่อยลำแสงนิวตรอนผ่านสนามแม่เหล็กที่เฉพาะเจาะจงแล้วหยุดด้วยวัสดุที่หยุดนิวตรอนปกติเธอและเพื่อนร่วมงานของเธออาจสามารถระบุได้ว่ามีนิวตรอนในกระจกหรือไม่
Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».
อ่านยัง
บนดาวเคราะห์น้อย Apophis ที่กำลังคุกคามโลกสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่เป็นอันตราย เกิดอะไรขึ้น?
นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าเหตุใดเด็กจึงเป็นพาหะของโควิด -19 ที่อันตรายที่สุด
สิ่งที่ Parker Solar Probe ค้นพบเมื่อบินเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด