Nukleare forskere beregner værdien af ​​nøgleegenskaber, der driver neutronforfald

Ved at bruge nogle af verdens mest kraftfulde supercomputere, et internationalt team, der omfatter forskere fra flere amerikanske laboratorier i det amerikanske energiministerium (DOE), har offentliggjort den højeste præcisionsberegning af en grundlæggende egenskab for protoner og neutroner kendt som nucleon axial coupling. Denne mængde bestemmer styrken af ​​den interaktion, der får neutroner til at henfalde til protoner - og kan derfor bruges til mere præcist at forudsige, hvor længe neutroner forventes at "leve". Resultaterne vises i Natur .

"Det faktum, at neutroner henfalder til protoner, er meget meget vigtig kendsgerning i universet, " sagde Enrico Rinaldi, en særlig postdoktorforsker ved RIKEN BNL Research Center ved DOE's Brookhaven National Laboratory, som var med til at udvikle simuleringer, der er afgørende for den nye beregning. "Det fortæller dig dybest set, hvordan atomkerner - lavet af protoner og neutroner - blev skabt efter Big Bang."

Neutrons levetid har også betydning for den relative overflod af atomer som hydrogen og helium i universet i dag, og hvordan den balance vil påvirke dannelsen af ​​fremtidige stjerner.

Den nye beregning kan også hjælpe videnskabsmænd med at bestemme, hvilken af ​​to tilgange til eksperimentelt at måle neutronlevetiden er mere nøjagtig - og om den adskillige sekunders uoverensstemmelse mellem de to potentielt kunne pege på eksistensen af ​​endnu ikke opdagede partikler.

Bestræbelsen på at beregne den aksiale kobling, ledet af André Walker-Loud af DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), brugt computerressourcer på Lawrence Livermore National Laboratory og Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet på DOE's Oak Ridge National Laboratory.

"Dette var et intenst to og et halvt års projekt, der kun kom sammen på grund af det store team af mennesker, der arbejdede med det, "Sagde Walker-Loud.

Detaljer om neutronforfald

Når du tænker på de atomer, der udgør tingene i vores verden i dag, du tænker sandsynligvis på neutroner som relativt stabile. Et træbord, lavet af masser af kulstofatomer, for eksempel, synes ikke at forfalde på nogen mærkbar måde.

Men hvis du trak en isoleret neutron ud af et af disse kulstofatomer, det ville blive til en proton, gennemsnitlig, på mindre end 15 minutter.

Processen, der får dette til at ske, er en kvantemekanisk interaktion mellem eksterne partikler kaldet W bosoner med neutronens indre byggesten, kendt som kvarker og gluoner. Denne vekselvirkning ændrer identiteten af ​​en af ​​de bestanddelte kvarker og derfor partikelens overordnede identitet.

Men det er et alt for forsimplet billede, Sagde Rinaldi. "Det er det, der ville ske ved meget høj energi, hvor vi kan tilnærme kvarkerne og gluonerne som frie objekter."

I den virkelige verden, ved lavere energi, kvarker og gluoner er begrænset, eller bundet sammen i partikler som protoner og neutroner, Rinaldi forklarede. Og disse kvarker og gluoner interagerer stærkt med hinanden på utallige måder.

"Vi kan ikke præcist fortælle, hvad hastighederne og positionerne for alle bestanddele inde i neutronen er. Det er et kvantemekanisk bundt af kvarker og gluoner og interaktionerne mellem dem, "Sagde Rinaldi. Styrken af ​​W boson -interaktionen, der udløser neutronforfaldet, afhænger af en værdi bestemt af den sammensatte sum af alle disse interne interaktioner.

"Hvad W boson ser, er nukleonaksialkoblingskonstanten, et tal, der parametrerer alle interaktioner, W bosonen kunne have med bestanddelene inde i neutronen, "Sagde Rinaldi.

Kører supercomputeringsforsøget

For at beregne den aksiale koblingskonstant, eller g? A, fysikere bruger kraftfulde supercomputere til at løse ligningerne for kvantekromodynamik (QCD) - teorien om den stærke atomkraft, som styrer hvordan kvarker og gluoner interagerer. Disse komplekse ligninger kan betragtes som indeholdende mere end en million variabler, der tegner sig for alle de mulige interaktioner inden for det vrimlende mikrokosmos af en neutron. De ville være umulige at løse uden en teknik kendt som gitter QCD. Gitter QCD placerer partiklerne på diskrete punkter på et imaginært fire-dimensionelt gitter i rumtiden (tre rumlige dimensioner plus tid) for at beregne alle mulige interaktioner af tilstødende partikler en efter en, og kombinerer dem derefter til et endeligt resultat.

Den overordnede beregningsdel er ret ligetil, Rinaldi sagde, igen understreger, at dette er en meget forenklet visning:"Du har en computer og en kode, der løser ligningerne. Du kører koden på computeren, lave analyser, og udtræk resultatet. Det er lidt som at lave et eksperiment, fordi der er mange trin og dele - analogt med en partikelaccelerator, dets detektorer, sammenstødene, og dataindsamlingen - og vi skal kontrollere hvert af disse trin. "

En af Rinaldis roller var at skabe input til "eksperimentet" - en række simuleringer, der hver indeholdt en anden masse for neutronen. Kunstig oppustning af neutronens masse gør ligningerne lettere at arbejde med, forklarede han.

"Algoritmerne bliver sværere og sværere at bruge, kræver mere beregningstid at løse, mens du forsøger at analysere, hvad der sker i den virkelige verden. Vi ville have enorme fejlstænger. Men hvis du kunstigt ændrer input til ligningerne - gør neutronerne mere massive - gør det lettere at beregne. Vi kan få et meget præcist resultat for hver af disse beregninger ved højere masser, og derefter sætte resultaterne sammen for at ekstrapolere til de virkelige forhold, " han sagde.

Reducering af støj for at udtrække signalet

Men at ændre input kan kun gøre så meget. Berkeley Lab-ledede teams største spring i præcision (i forhold til andre grupper, der har brugt lignende metoder til at beregne g? A) kom fra forbedringer af eksperimentets "detektor, "Sagde Rinaldi.

Holdet var interesseret i neutronens egenskaber, forklarede han. Men de kvantemekaniske vekselvirkninger mellem kvarker og gluoner kan også generere "ophidsede tilstande", der ligner neutroner, men ikke er neutroner. Disse ophidsede tilstande genererer "støj", der forurener signalet. Berkeley Lab -teamet fandt ud af, hvordan man filtrerer støjen for at producere et resultat, der, for første gang, opnået en procents tærskel for præcision, der er en guldstandard for gitter-QCD-beregninger.

"Når den aksiale kobling måles, signal-til-støj nedbrydes eksponentielt, jo længere neutronen bevæger sig, "sagde Chia Cheng" Jason "Chang, en postdoc på Berkeley Lab, der ledede analysen. "Tidligere beregninger blev alle udført midt i dette mere støjende miljø."

"Vi fandt en måde at udtrække målingen på, før støjen overtager og ødelægger eksperimentet, "Sagde Rinaldi.

Forskerne har allerede brugt den nye nukleonaksiale koblingsberegning til at udlede en rent teoretisk forudsigelse af neutrons levetid. Lige nu, denne nye værdi er i overensstemmelse med resultaterne fra begge typer eksperimentel måling, som adskiller sig med blot 9 sekunder.

"Vi har et tal for neutrons levetid:14 minutter og 40 sekunder med en fejllinje på 14 sekunder. Det er lige midt i værdierne målt ved de to typer eksperimenter, med en fejllinje, der er stor og overlapper begge dele, "Sagde Rinaldi.

Med mere statistik fra mere kraftfulde supercomputere, forskerholdet håber at drive usikkerhedsmarginen ned til omkring 0,3 procent. "Det er her, vi faktisk kan begynde at skelne mellem resultaterne fra de to forskellige eksperimentelle metoder til måling af neutrons levetid, "Sagde Chang." Det er altid den mest spændende del:Når teorien har noget at sige om eksperimentet. "

Ultimativt, Rinaldi sagde, denne og andre beregninger aktiveret af teamets beregningsteknik kunne forbedre vores forståelse af protoner og neutroner, og hjælpe med at besvare andre fremragende spørgsmål om atomfysik, mørkt stof, og universets natur.