Neutronlevetidsmålinger tager ny form til in situ detektion

Alt det, der udgør stjernerne, vores planet og livet på den opstod for 13,8 milliarder år siden som følge af Big Bang. Et millisekund efter Big Bang indtraf, neutroner og protoner blev dannet og begyndte at smelte sammen til små atomkerner. Dette er kendt som Big Bang Nucleosynthesis (BBN) æra. Under BBN, protoner (brint), stjernernes vigtigste byggesten, kombineret med neutroner for at danne helium og andre lette grundstoffer. Alt dette skete inden for den første, rundt regnet, 20 minutter af dette nye univers.

Neutroner, selvom, er i sagens natur ustabile (hvor levetid, τ, er cirka 881 sekunder) og holder ikke længe uden for en atomkerne. Fordi neutronen henfalder på en tidsskala svarende til perioden for BBN, nøjagtige simuleringer af BBN-æraen kræver grundig viden om neutronens levetid, den gennemsnitlige tid, det tager for en neutron at henfalde, men denne værdi er stadig ikke præcis kendt. I denne uge i journalen Gennemgang af videnskabelige instrumenter , forskere ved Los Alamos National Lab (LANL) rapporterer om en spændende ny metode til at måle det.

Målinger af neutronens levetid og nøjagtige simuleringer af BBN kræver, at gamle neutroner befris fra deres nukleare bure. Christopher Morris fra LANL og forfatter til den nye undersøgelse forklarede, at neutroner i det væsentlige er blevet "fossiliseret" i atomkerner. At studere disse "fossile partikler, " derefter, kan give et glimt af de tidligste øjeblikke af universets eksistens.

Da BBN sluttede, de fleste neutroner var låst inde i kernerne af heliumatomer. I dag, næsten alt stof i universet er stadig tæt på det indledende sarte forhold mellem helium og brint. Forholdet er vigtigt, da det bestemmer, hvor hurtigt vores sol forbrænder brint, kraft for livet på jorden.

Antallet af neutroner på jorden er et direkte resultat af BBN og senere processer, der fandt sted i gamle stjerner. For 4,5 milliarder år siden, der var endelig nok neutroner til at danne klippeplaneter, som Jorden, og elementer som kulstof og ilt, afgørende for livet.

Morris forklarede, at der er to måder at måle neutronens levetid på:Den første er at tælle antallet af protoner, der produceres, når kolde neutroner i en stråle henfalder. Den anden er at fange neutronerne i en metalflaske, med magnetiske felter eller endda via tyngdekraften, svarende til hvordan vand "fanges" i et badekar. Metoden, hans gruppe har udviklet, bruger en magnetisk gravitationsfælde, der involverer en kombination af magneter og tyngdekraft.

Fangstmetoden bruger meget kolde partikler, såkaldte ultrakolde neutroner, eller UCN'er. Enten flaskebeholderens vægge eller et magnetfelt frastøder de neutrale UCN'er, får dem til at svæve i enheden. Ifølge standardfysik, den eneste vej disse neutroner har til at undslippe er gennem henfaldet til en proton og en elektron.

Den nye enhed, samlet på LANL, involverer en magnetisk gravitationsfælde med en form designet specifikt til at omrøre neutronerne, når de fylder fælden. Dette undgår problemer i tidligere eksperimenter, hvor langsomt bevægende neutroner fyldte dele af fælden ujævnt, resulterer i muligvis falske levetidsmålinger.

Tidligere eksperimenter med bjælker og beholdere så ud til at give skarpt forskellige neutronlevetider, den mest præcise måling ved hjælp af en flaskefælde adskiller sig med næsten fire standardafvigelser fra den, der måles i en stråle. I resultaterne offentliggjort i denne uge, Morris og kolleger rapporterer en neutronlevetid på 878 sekunder, meget tæt på det, der findes i materialeflaskefælder, men adskiller sig væsentligt fra neutronlevetiden målt i stråler.

Forskellen mellem stråle- og flaskemålene kan skyldes en stadig uidentificeret fejl. Morris foreslår, at en mere eksotisk forklaring er, at neutroner forsvinder fra strålen uden nogensinde at producere en proton. Dette rejser udsigten til, at den noget kontroversielle og stadig mystiske forestilling om mørkt stof kan være involveret. Fremtidige undersøgelser vil undersøge disse spændende muligheder.