Загадка життя нейтрона
Нейтрон є одним із будівельних блоків матерії. Сама назва підказує,
Але скільки часу потрібно нейтрону, щоб «розвалитися на частини», залишається загадкою. І ось чому.
Один метод вимірює вимірювання дає результат 887,7 секунд, плюс-мінус 2,2 секунди.
Результати іншого методу показують 878,5 секунд, плюс-мінус 0,8 секунди.
Ось вони, ті самі дев'ять секунд, які збивають з пантелику вчених.
Спочатку здавалося, що це відмінність пов'язана зчутливістю вимірювання. Цілком допустима теорія. Однак вчені продовжують проводити серію все більш точних експериментів, а підступне розбіжність все одно залишається.
Така сталість у різниці даних явно вказуєна якийсь невідомий тип фізики, упевнені вчені. Це може свідчити про невідомий досі процес розпаду нейтрону. Або така принципова розбіжність може вказувати на науку, що виходить за рамки стандартної моделі, яку в даний час використовують вчені для пояснення всієї фізики елементарних частинок. Зрештою, є ряд явищ, які стандартна модель не пояснює повністю.
По суті, вона не є теорією всього, оскількине описує темну матерію, темну енергію і не включає гравітацію. Проте експериментальне підтвердження існування проміжних векторних бозонів у середині 80-х завершило побудову Стандартної моделі та її прийняття як основний.
І, все ж, необхідність розширення моделівиникла в 2002 році після виявлення нейтрино осциляцій. До речі, саме підтвердження існування бозона Хіггса в 2012 році завершило експериментальне виявлення передбачаються Стандартною моделлю елементарних частинок.
Щоб розгадати дивну невідповідність учасу життя нейтрону Управління науки Міністерства енергетики США (DOE) працює з іншими федеральними агентствами, національними лабораторіями та університетами.
Навіщо вивчати нейтрон?
Фізики-ядерники першими почали вивчати часжиття нейтрона через його важливої ролі у фізиці. «У природі є деякі фундаментальні величини, які важливі завжди», - пояснює Джефф Грін, професор Університету Теннессі і фізик з Національної лабораторії Ок-Рідж при Міністерстві енергетики. Він досліджував час життя нейтрона більшу частину свого життя - близько 40 років. «Теорії приходять і йдуть, але час життя нейтрона залишається центральним параметром в безлічі процесів».
Насправді нейтрон – корисне керівництво длярозуміння інших частинок. Це найпростіша радіоактивна частка, отже вона регулярно розпадається на інші частки. Таким чином, саме нейтрон дає гарне уявлення вченим про слабку взаємодію. Про ту саму силу, яка визначає, перетворюються чи нейтрони на протони чи ні. Часто цей процес вивільняє енергію та змушує ядра розпадатися. Процеси слабкої взаємодії також відіграє важливу роль у ядерному синтезі, де два протони з'єднуються.
Час життя нейтрона може також дати уявлення вченим про те, що сталося відразу після Великого вибуху. Заманливо, чи не так?
Ілюстрація вибуху нейтронної зірки
Всього через кілька секунд після освітипротонів і нейтронів, але до того, як вони з'єдналися в елементи, почалося час. Всесвіт швидко остигає. У якийсь момент вона охолола настільки, що протони і нейтрони майже миттєво поєдналися з утворенням гелію і водню. Якби нейтрони розпалися на протони трохи швидше або повільніше, це зробило б великий вплив на весь процес світобудови. У Всесвіті був би зовсім інший баланс елементів; цілком ймовірно, що самого життя не було б взагалі.
Вчені сподіваються отримати однозначне число длявизначення часу життя нейтрона, щоб його можна було б включити в різні рівняння, що описують Всесвіт. Невизначеність тривалості життя нейтрона допустима, але коли вона менше секунди. Однак домогтися впевненості у всього одному числі виявилося складніше, ніж фізики припускали.
Час життя нейтрона - один з найменш відомих фундаментальних параметрів Стандартної моделі.
Чжаоуен Танг, фізик із Лос-Аламоської національної лабораторії Міністерства енергетики США (LANL).
Так, звичайно, різні індивідуальніексперименти змогли досягти необхідного рівня точності. Але невідповідність між різними типами експериментів не дозволяє вченим визначити конкретне число життя нейтрона.
Як було виявлено невідповідність у даних
Виявлення того, що взагалі існує якасьрізниця в даних, виникло через бажання фізиків дати відповіді на всі питання про Всесвіт. Використання двох або більше методів для вимірювання одного і того ж кількості - кращий спосіб гарантувати точне вимірювання. Але вчені не можуть встановити таймери на нейтрони, щоб побачити, як швидко вони розпадаються. Замість цього вони знаходять способи вимірювання нейтронів до і після їх розпаду, щоб розрахувати час їх життя.
І ось в чому основна проблема.
Коли фізики виривають нейтрони з атомних ядер,засовують їх у пляшку і вважають, скільки нейтронів залишиться в ній через якийсь час, вони припускають, що нейтрони відчувають радіоактивний розпад в середньому через 14 хвилин 39 секунд. Але коли інші фізики створюють промені нейтронів і підраховують кількість з'являються протонів - частинок, які є продуктами розпаду вільних нейтронів - у них виходить середній час життя близько 14 хвилин 48 секунд.
Розбіжність між вимірами «пляшки» і «пучка» зберігається до цих пір.
Розбіжності між вимірами в «пляшці» і«Промені» існують з тих пір, коли методи підрахунку часу життя нейтрона почали давати свої результати в 1990-х. Спочатку все вимірювання були настільки неточними, що ніхто не хвилювався з цього приводу. Але поступово обидва методи поліпшувалися, і все одно розходилися в оцінках.
У променевих експериментах використовуються машини,які створюють потоки нейтронів. Вчені вимірюють кількість нейтронів в певному обсязі пучка. Потім вони направляють потік через магнітне поле в пастку для частинок, утворену електричним і магнітним полями. Нейтрони розпадаються в пастці, де фізики вимірюють кількість протонів, що залишилися в результаті.
Детектор протонів в Національному інституті стандартів і технології, що використовується в променевому методі.
Навпаки, експерименти з пляшкою вловлюютьультрахолодні нейтрони в контейнері. Ультрахолодні нейтрони рухаються набагато повільніше, ніж звичайні - кілька метрів в секунду в порівнянні з 10 мільйонами метрів в секунду в результаті реакцій ділення. Вчені вимірюють, скільки нейтронів знаходиться в контейнері спочатку, а потім знову через певний період часу. Вивчивши різницю, вони можуть обчислити, наскільки швидко розпадалися нейтрони.
Експеримент в UNCtau в Лос-Аламосі, що використовує пляшковий метод для вимірювання часу життя нейтронів
«В експерименті з пляшкою вимірюються"вижили", в променевому експерименті - "мертві"», - пояснює Грін. «Експеримент з пляшкою звучить легко, але насправді дуже важкий. З іншого боку, експеримент з променями звучить складно і насправді його проводити також складно».
Грін та його співробітники провели нові виміри в2013 року в NIST, які допомогли їм ще точніше перерахувати експеримент пучка, який вони проводили у тій же лабораторії у 2005 році. До цього моменту вчені завершили п'ять експериментів з пляшкою і два — nbsp; з пучками. Грін був переконаний, що попередні експерименти з пучком упускали з уваги одне з найбільших джерел невизначеності. А саме – точний підрахунок кількості нейтронів у пучку. Фізики покращили свої виміри цієї змінної, щоб зробити їх у п'ять разів точнішими. Але вісім років напруженої роботи залишив їх ні з чим. Точніше, з тим самим розривом у результатах.
Вчені, що працюють над експериментами зпляшками, зіткнулися зі своїми труднощами. Однією з найбільших проблем в вимірах було запобігти втраті нейтронів при взаємодії з матеріалом, з якого зроблений контейнер. Витік змінює кількість нейтронів в кінці розпаду і заважає розрахунками.
Щоб вирішити цю проблему, в останньомуексперимент з пляшкою в LANL, який проводився за підтримки Міністерства науки США, було усунуто фізичні стіни. Натомість фізики-ядерники використовували магнітні поля та гравітацію, щоб утримувати нейтрони на місці.
«Я був переконаний, що якщо ми зробимо це, мизможемо змусити нейтрон жити довше і погодитися з часом життя нейтрона в результаті експериментів з пучком », - заявила Чен-Ю Лю, жінка-професор Університету Індіани, яка керувала експериментом. «Це було моє особисте упередження».
Але різниця залишилася.«Це було для мене великим шоком», - зізналася вона пізніше, розповідаючи про результати, опублікованих в 2018 році. Імовірність того, що різниця виникне через випадкового збігу, становить менше одного з 10 000. Але це все ж могло бути викликано помилкою в експериментах.
Чому виникає помилка?
Вчені стикаються з двома типаминевизначеностей або помилок в експериментах: статистичними або систематичними. Статистичні помилки виникають через нестачу даних. Це не дозволяє робити тверді висновки. Отримання великих даних зменшує помилки.
Систематичні помилки є фундаментальноюневизначеністю експерименту. До речі, найчастіше вони неочевидні. Два типи експериментів по часу життя нейтронів мають абсолютно різні потенційні систематичні помилки. Якби результати збігалися, експерименти стали б відмінною перевіркою один одного. Але цього не відбувається.
«Найскладніше у вимірі часу життя нейтрона- це те, що воно одночасно занадто короткий і занадто довге », - заявляє Хугерхайде. «Виявляється, 15 хвилин - дійсно незручний час для вимірювання у фізиці».
Тому вчені-ядерники продовжують роботу по збору додаткових даних та мінімізації систематичних помилок.
По вертикалі - час життя нейтрона в секундах. Червоним відзначені результати дослідів з променями, синім - з пляшками.
«Одна з речей, які мені найбільше подобаютьсяв моїй області, - це виняткову увагу до необхідних деталей і то, наскільки глибоко ви повинні розуміти кожен аспект вашого експерименту, щоб провести надійне вимірювання », - зізнається Лія Бруссард, фізик-ядерник з ORNL.
В &Nbsp;NIST Хугерхайде, Грін та інші вченіпроводять новий експеримент з пучком, який досліджує кожну можливу проблему настільки повно, наскільки це взагалі можливо. На жаль, кожне налаштування для кожного експерименту впливає на наступні результати, тому ця робота по системі «два кроки вперед один крок назад».
Інша робота спрямована на пошук нових способів виміру часу життя нейтрона.
Дослідники з Університету Джона Хопкінса іДаремського університету Великобританії за підтримки Міністерства енергетики США з'ясували, як використовувати дані НАСА для вимірювання часу життя нейтрона. Грунтуючись на нейтронах, що виходять від Венери і Меркурія, вони розрахували час життя 780 секунд з похибкою в 130 секунд. Але, оскільки збір даних не призначений для цієї мети, невизначеність занадто висока, щоб визначити різницю в термінах служби частинки. Чжаоуен Танг, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії, ставить експеримент, який є чимось середнім між експериментами з пляшкою і пучком. Замість вимірювання протонів в кінці він буде вимірювати електрони.
Абсолютно новий підхід. Але, схоже, всі інші варіанти вичерпали себе?
Чи ні?
Нові теорії Від радикальних ідей до наукової фантастики
Звичайно, завжди є ймовірність, що різниця у вимірах вказує прямим текстом на пробіл в наших знаннях про цю фундаментальної частці - нейтрони.
Танг зізнається, що не збирається кидатиексперименти. «Є так багато прикладів людей, які спостерігали щось екстраординарне, а потім просто послалися на помилку, не попрацювали досить ретельно». А хтось інший — попрацював і отримав Нобелівську премію».
Одна з теорій загадки життя нейтрону полягаєу цьому, що він руйнується так, як вчені просто не знають. Він може розпадатися на частинки, відмінні від знайомої нам комбінації протона, електрона і антинейтрино. Якщо це так, це пояснює, чому нейтронизникають в експериментах з пляшками,але відповідна кількістьпротонів не виявляється в експериментах з пучками.
Інші ідеї ще радикальніші.
Деякі теоретики передбачають, що нейтронирозпадаються на гамма-промені і загадкову темну матерію. Темна матерія складає 75% матерії у Всесвіті, але, наскільки відомо вченим, взаємодіє зі звичайною матерією тільки через гравітацію. Щоб перевірити цю теорію, група вчених з LANL провела версію експерименту з пляшкою, в якому вони вимірювали нейтрони і гамма-промені. Але запропоновані гамма-промені не матеріалізувалися, і у вчених не залишилося доказів появи темної матерії від нейтронів.
Дзеркальна матерія - ще одна можливаконцепцію, яка звучить як наукова фантастика. Теоретично «недостаючі» нейтрони можуть перетворитися на дзеркальні нейтрони, а саме на точні копії, що існують в протилежному Всесвіті. Розвиваючись інакше, ніж наш Всесвіт, цей дзеркальний Всесвіт був набагато холоднішим і в ньому переважав би гелій. У той час як деякі вчені-ядерники, такі як Грін, думають, що це «неправдоподібно», інші зацікавлені у випробуванні цієї теорії, просто «на всякий випадок».
«Це щодо незвідана територія.Для мене це звучить дуже привабливо, тому що у мене „на задньому дворі“ є чудове джерело нейтронів», — заявила Лія Бруссар, маючи на увазі джерело нейтронів розщеплення та реактор ізотопів з високим потоком, обидва об'єкти належать Управлінню науки Міністерства енергетики ORNL.
Зліва направо:співробітники ORNL Метью Фрост і Лія Бруссард працюють над рефлектометром магнетизму в джерелі нейтронів розщеплення, який використовується для пошуку дзеркальних нейтронів. Надано: Женев'єва Мартін / Національна лабораторія Ок-Рідж, Міністерство енергетики США.
Щоб перевірити цю теорію, Бруссард аналізуєдані процесу, який імітує експеримент за часом життя пучка, але налаштований так, щоб вловити ознака потенційного невидимого партнера нейтрона. Запустивши пучок нейтронів через певний магнітне поле і потім зупинивши його матеріалом, який зупиняє нормальні нейтрони, вона і її колеги можливо зможуть визначити, чи існують дзеркальні нейтрони.
Які б результати ні приніс цейексперимент, робота з з'ясування часу життя нейтрону буде продовжено. «Дуже показово, що є так багато спроб точно виміряти час життя нейтрона. Це говорить про вкрай емоційну реакцію вчених на невідповідність в цій галузі — „Я хочу, нарешті, з'ясувати це!“» робить висновок Бруссар. "Кожен вчений мотивований бажанням вчитися, бажанням зрозуміти".
Читати також
На загрозливому Землі астероїд Апофіс помітили небезпечне явище. Що відбувається?
Вчені з'ясували, чому діти є найнебезпечнішими переносниками COVID-19
Що виявив зонд Parker Solar Probe, підлетів максимально близько до Сонця