Nötronun hayatının gizemi
Nötron maddenin yapı taşlarından biridir. Adın kendisi öneriyor
Ancak bir nötronun “parçalanmasının” ne kadar süreceği bir sır olarak kalıyor. Ve işte nedeni.
Ölçümü ölçmenin bir yöntemi, 887,7 saniye artı veya eksi 2,2 saniyelik bir sonuç verir.
Başka bir yöntem 878,5 saniye artı veya eksi 0,8 saniye gösterir.
İşte bilim adamlarının kafasını karıştıran aynı dokuz saniye.
İlk başta bu farkın nedeniölçüm hassasiyeti. Tamamen geçerli bir teori. Bununla birlikte, bilim adamları bir dizi giderek daha doğru deneyler yapmaya devam ediyor, ancak sinsi tutarsızlık hala devam ediyor.
Veri farklılığındaki bu tutarlılık açıkça şunu gösteriyor:Bilim adamları, bilinmeyen bir fizik türüne bağlı olduğundan eminler. Bu, şimdiye kadar bilinmeyen bir nötron bozunma sürecini gösterebilir. Ya da böylesine temel bir tutarsızlık, bilim adamlarının şu anda parçacık fiziğinin tamamını açıklamak için kullandıkları standart modelin ötesinde bir bilime işaret edebilir. Sonuçta Standart Model'in tam olarak açıklayamadığı bir takım olgular var.
Aslında her şeyin teorisi değil çünkükaranlık maddeyi, karanlık enerjiyi tanımlamaz ve yer çekimini içermez. Ancak 80'li yılların ortalarında ara vektör bozonlarının varlığının deneysel olarak doğrulanması, Standart Model'in oluşturulmasını ve ana model olarak kabul edilmesini tamamladı.
Yine de modeli genişletme ihtiyacınötrino salınımlarının keşfedilmesinden sonra 2002'de ortaya çıktı. Bu arada, Standart Model tarafından tahmin edilen temel parçacıkların deneysel tespitini tamamlayan, 2012'de Higgs bozonunun varlığının doğrulanmasıydı.
Garip çelişkiyi çözmek içinnötron ömrü ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Bilim Ofisi diğer federal kurumlarla, ulusal laboratuvarlarla ve üniversitelerle birlikte çalışır.
Nötron neden incelenmeli?
İlk çalışma zamanı nükleer fizikçilerdifizikteki önemli rolü nedeniyle nötronun yaşamı. Tennessee Üniversitesi profesörü ve Enerji Bakanlığı bünyesindeki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Jeff Green, "Doğada her zaman önemli olan bazı temel nicelikler vardır" diyor. Ömrünün büyük bir kısmında nötron yaşamını inceledi - yaklaşık 40 yıl. "Teoriler gelir ve gider, ancak nötron yaşamı birçok sürecin merkezinde kalır."
Aslında nötron yararlı bir rehberdir.diğer parçacıkların anlaşılması Bu en basit radyoaktif parçacıktır, dolayısıyla düzenli olarak diğer parçacıklara bozunur. Dolayısıyla bilim adamlarına zayıf kuvvet hakkında iyi bir fikir veren şey nötrondur.Nötronların protona dönüşüp dönüşmeyeceğini belirleyen kuvvetin ta kendisidir. Çoğu zaman bu süreç enerjiyi serbest bırakır ve çekirdeğin bozulmasına neden olur. Zayıf etkileşim süreçleri, iki protonun birleştiği nükleer füzyonda da önemli bir rol oynar.
Nötronun yaşam süresi de bilim insanlarına Büyük Patlama'dan hemen sonra ne olduğuna dair fikir verebilir. Cazip, değil mi?
Nötron yıldızı patlaması illüstrasyon
Eğitimden sadece birkaç saniye sonraprotonlar ve nötronlar, ancak elementler halinde birleşmeden önce zaman başladı. Evren hızla soğuyordu. Bir noktada o kadar soğudu ki protonlar ve nötronlar neredeyse anında birleşerek helyum ve hidrojeni oluşturdu. Nötronlar protonlara biraz daha hızlı veya daha yavaş bozunursa, bu evrenin tüm süreci üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olacaktır. Evren çok farklı bir element dengesine sahip olacaktır; Muhtemelen hayatın kendisi hiç var olmayacaktı.
Bilim adamları, tek haneli bir sayı almayı umuyorNötron yaşam süresinin tanımı, böylece Evreni açıklayan çeşitli denklemlere dahil edilebilir. Nötron yaşam süresinin belirsizliği kabul edilebilir, ancak bir saniyeden az olduğunda. Ancak, sadece bir sayı üzerinde kesinlik elde etmek, fizikçilerin beklediğinden daha zor oldu.
Nötron ömrü, Standart Modelin en az bilinen temel parametrelerinden biridir.
Zhaouen Tang, ABD Enerji Bakanlığı'nın Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda (LANL) fizikçidir.
Evet, elbette çeşitli bireylerdeneyler gerekli doğruluk düzeyine ulaşmayı başardı. Ancak farklı deney türleri arasındaki tutarsızlık, bilim adamlarının belirli bir nötron yaşam sayısını belirlemesini engelliyor.
Veri tutarsızlığı nasıl keşfedildi
Orada olduğunu bulmakVerilerdeki farklılık, fizikçilerin evrenle ilgili tüm sorulara cevap verme arzusundan kaynaklandı. Aynı miktarı ölçmek için iki veya daha fazla yöntem kullanmak, doğru ölçüm sağlamanın en iyi yoludur. Ancak bilim adamları, ne kadar çabuk bozulduklarını görmek için nötronlara zamanlayıcı ayarlayamazlar. Bunun yerine, yaşam sürelerini hesaplamak için nötronları bozunmadan önce ve sonra ölçmenin yollarını bulurlar.
Ve bu asıl sorun.
Fizikçiler nötronları atom çekirdeklerinden kopardıklarında,onları bir şişeye koyun ve bir süre sonra içinde kaç nötron kalacağını sayın, nötronların ortalama 14 dakika 39 saniye sonra radyoaktif bozunmaya uğradığını varsayarlar. Ancak diğer fizikçiler nötron demetleri oluşturduklarında ve ortaya çıkan protonların sayısını saydıklarında - serbest nötronların bozunma ürünleri olan parçacıklar - yaklaşık 14 dakika 48 saniyelik bir ortalama ömürleri oluyor.
"Şişe" ve "kiriş" ölçümleri arasındaki tutarsızlık hala devam etmektedir.
"Şişedeki" ölçümler arasındaki tutarsızlıklar ve"Ray", nötron ömrünü hesaplama yöntemlerinin 1990'larda sonuç vermeye başladığı günlerden beri var. İlk başta, tüm ölçümler o kadar yanlıştı ki kimse endişelenmiyordu. Ancak yavaş yavaş her iki yöntem de gelişti ve tahminlerde yine de farklılık gösterdi.
Kiriş deneylerinde makineler kullanılırnötron akışları yaratan. Bilim adamları, ışının belirli bir hacmindeki nötron sayısını ölçer. Daha sonra, manyetik alan boyunca akışı elektrik ve manyetik alanların oluşturduğu bir parçacık tuzağına yönlendirirler. Nötronlar, fizikçilerin geride kalan proton miktarını ölçtüğü bir tuzakta bozulur.
Kiriş yönteminde kullanılan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki proton dedektörü.
Aksine, şişe deneyleribir kapta ultra soğuk nötronlar. Ultra soğuk nötronlar, normal nötronlardan çok daha yavaş hareket eder - saniyede birkaç metre, fisyon reaksiyonlarından kaynaklanan saniyede 10 milyon metreye kıyasla. Bilim adamları, önce kapta kaç nötron olduğunu ve ardından belirli bir süre sonra tekrar ölçerler. Farkı inceleyerek, nötronların ne kadar hızlı bozunduğunu hesaplayabilirler.
Los Alamos'ta UNCtau'da nötron ömrünü ölçmek için şişe yöntemini kullanarak deney yapın
"Şişe deneyinde ölçüm yapıyorlarGreen şöyle açıklıyor: "Hayatta kalanlar" bir radyasyon deneyinde "ölüdür". “Şişe deneyi kulağa kolay geliyor ama aslında çok zor. Öte yandan ışınlarla yapılan deney kulağa karmaşık geliyor ve gerçekte gerçekleştirilmesi de zor.”
Green ve çalışma arkadaşları yeni ölçümler gerçekleştirdiler.Bu, 2005 yılında aynı laboratuvarda yürüttükleri bir ışın deneyini daha doğru bir şekilde yeniden hesaplamalarına yardımcı oldu. Bu noktada bilim insanları beş şişe deneyi ve iki demetlerle. Green, daha önceki ışın deneylerinde belirsizliğin en büyük kaynaklarından birinin gözden kaçırıldığına inanıyordu. Yani ışındaki nötron sayısının doğru bir şekilde sayılması. Fizikçiler bu değişkene ilişkin ölçümlerini beş kat daha doğru hale getirecek şekilde geliştirdiler. Ancak sekiz yıllık sıkı çalışma onlara hiçbir şey bırakmadı. Daha doğrusu, sonuçlarda aynı boşluk var.
İle deneyler üzerinde çalışan bilim adamlarışişeler, kendi zorluklarıyla karşı karşıya kaldı. En büyük ölçüm zorluklarından biri, kabın yapıldığı malzeme ile etkileşime girerken nötron kaybını önlemekti. Sızıntı, bozunmanın sonunda nötron sayısını değiştirir ve hesaplamaları engeller.
Bu sorunu çözmek için son olarakLANL'ın ABD Bilim Bakanlığı tarafından desteklenen şişe deneyi fiziksel duvarları ortadan kaldırdı. Bunun yerine nükleer fizikçiler nötronları yerinde tutmak için manyetik alanları ve yerçekimini kullandılar.
"Bunu yaparsak,İndiana Üniversitesi'nde deneyi yöneten kadın profesör Chen-Yu Liu, "ışın deneylerinin bir sonucu olarak nötronun daha uzun süre yaşamasını ve nötronun ömrünü kabul etmesini sağlayabiliriz" dedi. "Bu benim kişisel önyargımdı."
Ancak fark kalır. Daha sonra 2018'de yayınlanan sonuçlara atıfta bulunarak "Benim için büyük bir şok oldu" diye itiraf etti. Farkın tesadüften kaynaklanma ihtimali 10.000'de birden az, ancak yine de deneysel hatadan kaynaklanıyor olabilir.
Hata neden ortaya çıkıyor?
Bilim adamları iki türle karşı karşıyadeneylerdeki belirsizlikler veya hatalar: istatistiksel veya sistematik. Yetersiz verilerden istatistiksel hatalar ortaya çıkar. Bu, kesin sonuçlara varmamızı engeller. Büyük veri elde etmek hataları azaltır.
Sistematik hatalar esastırdeneyin belirsizliği. Bu arada, genellikle açık değiller. İki tür nötron yaşam boyu deneyinin tamamen farklı potansiyel sistematik hataları vardır. Sonuçlar aynı olsaydı, deneyler birbirleri için mükemmel bir test olurdu. Ama bu olmaz.
"Nötronun ömrünü ölçmenin en zor yanı- hem çok kısa hem de çok uzun, ”diyor Hoogheide. "15 dakikanın fizikte ölçmek için gerçekten uygunsuz bir zaman olduğu ortaya çıktı."
Bu nedenle, nükleer bilim adamları ek veri toplamak ve sistematik hataları en aza indirmek için çalışmaya devam ediyor.
Dikey - saniye cinsinden nötron ömrü. Kırmızı, ışınlarla, mavi - şişelerle yapılan deneylerin sonuçlarını işaretler.
"En sevdiğim şeylerden biriBenim alanımda, ayrıntılara ve güvenilir bir ölçüm yapmak için deneyinizin her yönünü ne kadar derinlemesine anlamanız gerektiğine olağanüstü bir dikkat, ”diyor ORNL'deki nükleer fizikçi Leah Broussard.
NIST, Hoogerheide, Green ve diğer bilim adamlarındaolası her sorunu mümkün olduğunca eksiksiz bir şekilde araştıran yeni bir ışın deneyi yürütüyorlar. Ne yazık ki, her deneydeki her ayar sonraki sonuçları etkiler, dolayısıyla bu çalışma "iki adım ileri, bir adım geri" sistemine dayanmaktadır.
Diğer çalışmalar bir nötronun ömrünü ölçmenin yeni yollarını bulmayı amaçlıyor.
Johns Hopkins Üniversitesi'nden araştırmacılar veBirleşik Krallık'taki Durham Üniversitesi, ABD Enerji Bakanlığı'nın desteğiyle, nötron ömrünü ölçmek için NASA verilerinin nasıl kullanılacağını buldu. Venüs ve Merkür'den yayılan nötronlara dayanarak, 130 saniyelik bir hata ile 780 saniyelik bir ömür hesapladılar. Ancak veri toplama bu amaca yönelik olmadığından, belirsizlik partikül ömründe bir fark belirlemek için çok yüksektir. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Zhaouen Tang, şişe ve ışın deneyleri arasında çapraz bir deney kurar. Sonunda protonları ölçmek yerine elektronları ölçecek.
Tamamen yeni bir yaklaşım. Ama diğer tüm seçenekler kendilerini tüketmiş gibi görünüyor?
Ya da değil?
Yeni teoriler. Radikal fikirlerden bilim kurguya
Elbette, ölçümlerdeki farklılığın doğrudan bu temel parçacık - nötron hakkındaki bilgimizde bir boşluğu gösterme olasılığı her zaman vardır.
Tang, işi bırakmayı planlamadığını itiraf ediyordeneyler. "Olağanüstü bir şey gözlemleyen ve daha sonra bunu yeterince sıkı çalışmama hatasına bağlayan pek çok insan örneği var." Ve bir başkası çalıştı ve Nobel Ödülü'nü aldı.”
Nötronun yaşamının gizemine ilişkin teorilerden biribilim adamlarının bilmediği şekillerde yok edilmesidir. Bilinen proton, elektron ve antinötrino kombinasyonundan farklı parçacıklara bozunabilir. Eğer öyleyse, bu durum nötronların nedenşişelerle yapılan deneylerde kaybolur,ancak karşılık gelen miktarışın deneylerinde protonlar tespit edilmez.
Diğer fikirler daha da radikaldir.
Bazı teorisyenler nötronlarıngama ışınlarına ve gizemli karanlık maddeye dönüşür. Karanlık madde Evrendeki maddenin% 75'ini oluşturur, ancak bilim adamlarının bildiği kadarıyla sıradan maddeyle yalnızca yerçekimi yoluyla etkileşir. Bu teoriyi test etmek için, LANL'deki bir grup bilim insanı, nötronları ve gama ışınlarını ölçtükleri şişe deneyinin bir versiyonunu yürüttü. Ancak önerilen gama ışınları gerçekleşmedi ve bilim adamlarının nötronlardan karanlık maddenin ortaya çıktığına dair hiçbir kanıtı yok.
Ayna maddesi başka bir olasılıkkulağa bilim kurgu gibi gelen bir kavram. Teorik olarak, "kayıp" nötronlar ayna nötronlara, yani karşıt Evrende var olan tam kopyalara dönüşebilir. Bizim Evrenimizden farklı gelişen bu ayna Evren, çok daha soğuk olacak ve içinde helyum hakim olacaktı. Green gibi bazı nükleer bilim insanları bunun "mantıksız" olduğunu düşünürken, diğerleri "her ihtimale karşı" teoriyi test etmekle ilgileniyor.
“Bu nispeten keşfedilmemiş bir bölge.Bu bana çok çekici geliyor çünkü arka bahçemde harika bir nötron kaynağım var," dedi Leah Broussard, her ikisi de Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi ORNL'ye ait olan Spallation Nötron Kaynağı ve Yüksek Akı İzotop Reaktörüne atıfta bulunarak.
Soldan sağa: ORNL işbirlikçileri Matthew Frost ve Leah Broussard, aynasal nötronları aramak için kullanılan bir fisyon nötron kaynağındaki bir manyetizma reflektometresi üzerinde çalışıyorlar. Kredi: Genevieve Martin / Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, ABD Enerji Bakanlığı.
Bu teoriyi test etmek için Broussard analiz ederbir ışın ömrü deneyini taklit eden ancak potansiyel bir görünmez nötron ortağının imzasını yakalamak için ayarlanmış bir süreçten elde edilen veriler. Belirli bir manyetik alandan bir nötron demeti fırlatıp ardından normal nötronları durduran bir malzeme ile durdurarak, kendisi ve meslektaşları ayna nötronların var olup olmadığını belirleyebilirler.
Her ne sonuç bunu getirdiyseDeneyde nötron ömrünün belirlenmesine yönelik çalışmalar devam edecek. "Bir nötronun ömrünü doğru bir şekilde ölçmek için bu kadar çok girişimin olması çok önemli. Bu, bilim adamlarının bu alandaki tutarsızlığa karşı son derece duygusal tepkisine işaret ediyor: 'Sonunda öğrenmek istiyorum!'" diye bitiriyor Broussard. “Her bilim insanı öğrenme arzusuyla, anlama arzusuyla motive olur.”
Ayrıca okuyun
Apophis, tehdit edici Dünya asteroidinde tehlikeli bir fenomeni fark etti. Ne oluyor?
Bilim adamları, çocukların neden COVID-19'un en tehlikeli taşıyıcıları olduğunu keşfetti
Parker Solar Probe mümkün olduğunca Güneş'e yaklaştığında keşfettiği şey