Neutroner målt med en hidtil uset præcision ved hjælp af en magneto-gravitationsfælde

En undersøgelse ledet af fysikere ved Indiana University Center for Exploration of Energy and Matter kunne give ny indsigt i universets sammensætning umiddelbart efter Big Bang - samt forbedre beregninger, der bruges til at forudsige stjerners levetid og beskrive reglerne, der styrer den subatomære verden.

Studiet, offentliggjort 11. maj i tidsskriftet Videnskab , rapporterer en meget præcis måde at måle forfaldshastigheden af ​​neutroner. En forfatter på undersøgelsen, Chen-Yu Liu, er professor ved IU Bloomington College of Arts and Sciences 'Institut for Fysik.

"Dette er en markant forbedring i forhold til tidligere forsøg, "sagde Liu, der er leder i UNCtau -eksperimentet, som bruger neutroner fra Los Alamos Neutron Science Center Ultracold Neutron -kilde på Los Alamos National Laboratory i New Mexico. "Dataene er langt mere præcise, end hvad vi har haft før."

Hastigheden af ​​neutrons forfald - subatomære partikler uden ladning - er signifikant, fordi den bruges til at forudsige andelen af ​​hydrogen og helium i universet få minutter efter Big Bang. Tallet påvirker også beregninger, der bruges til at bestemme, hvor hurtigt brintatomer brænder inde i stjerner og reglerne, der styrer elementarpartiklerne som kvarker og gluoner. Dette skyldes, at under neutronforfald, en "op" kvark omdannes til en "ned" kvark, en proces, som fysikerne endnu ikke helt forstår.

Forskere bruger i øjeblikket to metoder til at isolere neutroner og beregne deres henfaldshastigheder:

• "Flaske" -metoden:Tæller antallet af neutroner, der forbliver over tid efter at have været fanget inde i en beholder.
• "Stråle" -metoden:Måling af hastigheden af ​​protoner, der kommer fra en neutronstråle genereret af en atomreaktor.

Nogle fysikere betragter strålemetoden som mere præcis, fordi flaskemetoden risikerer at misregne neutroner, der absorberes i beholderen, som forsvinder fra forfald. Men undersøgelsen fra Liu og kolleger bruger en usynlig beholder fremstillet af magnetfelter og tyngdekraft for at eliminere risikoen for interferens fra fysisk materiale. Som resultat, eksperimentet kan måle en neutrons levetid med et højt præcisionsniveau.

"En neutron kunne teknisk set leve inde i vores fælde i tre uger, som er meget længere end nogen andre tidligere konstruerede 'flaske' fælder, "Sagde Liu." Denne lange fældetid er det, der gør det muligt at opnå en meget nøjagtig måling. "

Anvendelse af en "magneto-gravitationsfælde, "hvor neutronernes magnetiske ladning og masse forhindrer dem i at undslippe deres beholder, gør det også lettere at måle neutronerne, fordi flasken er "lågløs, "Sagde Liu.

Lius laboratorium sluttede sig til UNCtau-eksperimentet i 2011 for at hjælpe med at genoplive projektet. Arbejdet krævede fem år at designe, fremstille, teste og installere deres udstyr ved neutronkilden i Los Alamos, hvorefter teamet begyndte at køre eksperimenter og indsamle data. Medlemmer af Lius laboratorium rejser regelmæssigt til New Mexico for at teste udstyr, køre eksperimenter og registrere resultaterne.

"Fem år for at få et eksperiment til at køre og producere data er meget hurtigt inden for vores område, "Sagde Liu." Vi brugte cirka seks måneder på stedet og seks måneder til at lave hardware hvert år. Det var virkelig en cyklus med hurtig prototyping og forbedring. Vi ville aldrig have været i stand til at renovere teknologien uden den mekaniske og tekniske support, der er tilgængelig på IU Center for Exploration of Energy and Matter. "