Mysteriet om neutronens levetid

Ni sekunder. En evighed i nogle videnskabelige eksperimenter; en ufattelig lille mængde i universets store skema. Og lige lang nok til at forvirre kernefysikere, der studerer neutronens levetid.

Neutronen er en af ​​stoffets byggesten, det neutrale modstykke til den positive proton. Ligesom mange andre subatomære partikler, neutronen holder ikke længe uden for kernen. I løbet af cirka 15 minutter, det går i stykker til en proton, en elektron, og en lillebitte partikel kaldet en anti-neutrino.

Men hvor lang tid det tager neutronen at falde fra hinanden, er lidt af et mysterium. En metode måler det som 887,7 sekunder, plus eller minus 2,2 sekunder. En anden metode måler det som 878,5 sekunder, plus eller minus 0,8 sekund. I starten denne forskel syntes at være et spørgsmål om målefølsomhed. Det er måske netop det. Men efterhånden som videnskabsmænd fortsætter med at udføre en række stadig mere præcise eksperimenter for at evaluere mulige problemer, uoverensstemmelsen består.

Denne vedholdenhed fører til muligheden for, at forskellen peger på en form for ukendt fysik. Det kunne afsløre en ukendt proces i neutronhenfald. Eller det kunne pege på videnskab ud over den standardmodel, som forskere i øjeblikket bruger til at forklare al partikelfysik. Der er en række fænomener, som standardmodellen ikke fuldt ud forklarer, og denne forskel kunne pege på vejen mod at besvare disse spørgsmål.

For at udrede denne mærkelige forskel, Department of Energy's (DOE) Office of Science arbejder sammen med andre føderale agenturer, nationale laboratorier, og universiteter for at fastlægge varigheden af ​​neutronens levetid.

En fundamental mængde

Kernefysikere begyndte først at studere neutronens levetid på grund af dens væsentlige rolle i fysikken. "Der er nogle fundamentale størrelser i naturen, som altid synes at være vigtige, " sagde Geoff Greene, University of Tennessee professor og fysiker ved DOE's Oak Ridge National Laboratory. Han har forsket i neutronens levetid i det meste af sin levetid - omkring 40 år. "Teorier kommer og går, men neutronens levetid ser ud til at forblive en central parameter i en række ting."

Neutronen er en nyttig guide til at forstå andre partikler. Det er den enkleste partikel, der er radioaktiv, hvilket betyder, at det jævnligt nedbrydes til andre partikler. Som sådan, det giver en masse indsigt i den svage kraft, kraften der bestemmer om neutroner bliver til protoner eller ej. Tit, denne proces frigiver energi og får kernerne til at bryde fra hinanden. Samspillet mellem den svage kraft spiller også en vigtig rolle i kernefusion, hvor to protoner kombineres.

Neutronens levetid kan også give indsigt i, hvad der skete lige øjeblikke efter Big Bang. I løbet af få sekunder efter, at protoner og neutroner blev dannet, men før de gik sammen til grundstoffer, der var lidt præcis timing. Universet afkølede hurtigt. På et vist tidspunkt, det blev køligt nok til, at protoner og neutroner næsten øjeblikkeligt sluttede sig til helium og brint. Hvis neutroner henfaldt lidt hurtigere eller langsommere til protoner, det ville have store konsekvenser for den proces. Der ville være en meget anderledes balance mellem elementer i universet; det er sandsynligt, at livet ikke ville eksistere.

"Det er en af ​​naturens tilfældige ulykker, at vi overhovedet har kemiske grundstoffer, " sagde Greene.

Forskere vil gerne have et solidt tal for neutronens levetid for at tilslutte sig disse ligninger. De har brug for livets usikkerhed ned til mindre end et sekund. Men at få denne vished er sværere, end det umiddelbart så ud. "Neutronlevetiden er en af ​​de mindst kendte fundamentale parametre i standardmodellen, " sagde Zhaowen Tang, en fysiker ved DOE's Los Alamos National Laboratory (LANL).

Individuelle eksperimenter har været i stand til at nå dette præcisionsniveau. Men uoverensstemmelsen mellem forskellige typer eksperimenter forhindrer videnskabsmænd i at fastlægge et bestemt antal.

At opdage en uoverensstemmelse

At finde ud af, at der overhovedet var en forskel, opstod fra fysikeres ønske om at være omfattende. Brug af to eller flere metoder til at måle den samme mængde er den bedste måde at garantere en nøjagtig måling på. Men forskere kan ikke sætte timere på neutroner for at se, hvor hurtigt de falder fra hinanden. I stedet, de finder måder at måle neutroner på før og efter de henfalder for at beregne levetiden.

Stråleeksperimenter bruger maskiner, der skaber strømme af neutroner. Forskere måler antallet af neutroner i et bestemt volumen af ​​strålen. De sender derefter strømmen gennem et magnetfelt og ind i en partikelfælde dannet af et elektrisk og magnetisk felt. Neutronerne henfalder i fælden, hvor forskerne måler antallet af protoner tilbage til sidst.

"Stråleeksperimentet er en virkelig svær måde at udføre en præcisionsmåling på, " sagde Shannon Hoogerheide, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST), som har samarbejdet med DOE-forskere. "Strålemålingen kræver ikke en, men to absolutte målinger."

I modsætning, flaskeeksperimenter fanger ultrakolde neutroner i en beholder. Ultrakolde neutroner bevæger sig meget langsommere end almindelige - nogle få meter i sekundet sammenlignet med de 10 millioner meter i sekundet fra fissionsreaktioner. Forskere måler, hvor mange neutroner der er i beholderen i begyndelsen og derefter igen efter et vist tidsrum. Ved at undersøge forskellen, de kan beregne, hvor hurtigt neutronerne henfaldt.

"Flaskeeksperimentet måler de overlevende, stråleeksperimentet måler de døde, " sagde Greene. "Flaskeeksperimentet lyder nemt, men er faktisk meget svært. På den anden side, stråleeksperimentet lyder hårdt og er hårdt."

Et stråleeksperiment på NIST i 2005 (med støtte fra DOE) og et flaskeeksperiment i Frankrig ikke længe efter afslørede først forskellen i målingen. Siden da, eksperimenter har forsøgt at reducere mellemrummet mellem de to ved at minimere så mange usikkerheder som muligt.

Greene og hans samarbejdspartnere tog nye målinger i 2013 på NIST, der hjalp dem med at genberegne 2005-stråleeksperimentet endnu mere nøjagtigt. På det tidspunkt, videnskabsmænd havde gennemført fem flaske- og to stråleeksperimenter. Greene var overbevist om, at tidligere stråleeksperimenter havde gået glip af en af ​​de største kilder til usikkerhed - præcist at tælle antallet af neutroner i strålen. De forbedrede deres måling af denne variabel for at gøre den fem gange mere nøjagtig. Men otte års hårdt arbejde efterlod dem med næsten den samme forskel i resultater.

Fysikere, der arbejdede på flaskeeksperimenter, stod over for deres egne kampe. En af de største udfordringer var at holde neutronerne væk fra interaktioner med det materiale, beholderen er lavet af. En læk ændrer antallet af neutroner i slutningen og kaster levetidsberegningen af.

For at løse dette problem, det seneste flaskeeksperiment på LANL (som blev støttet af Office of Science) eliminerede fysiske vægge. I stedet, kernefysikerne brugte magnetfelter og tyngdekraft til at holde neutronerne på plads. "Jeg var i lejren af, hvis vi gør det, vi kan få en neutron til at leve længere og stemme overens med strålens levetid, " sagde Chen-Yu Liu, en professor ved Indiana University, der ledede eksperimentet. "Det var min personlige bias."

Men forskellen forblev. "Det var et stort chok for mig, " hun sagde, der beskriver resultatet offentliggjort i 2018. Chancerne for, at forskellen sker fra tilfældige tilfældigheder, er mindre end én ud af 10, 000. Men det kan stadig være forårsaget af en fejl i eksperimenterne.

På jagt efter årsagen

Forskere står over for to typer usikkerheder eller fejl i eksperimenter:statistiske eller systematiske. Statistiske fejl kommer af ikke at have nok data til at drage solide konklusioner. Hvis du kan få flere data, du kan pålideligt reducere disse fejl. Systematiske fejl er grundlæggende usikkerheder ved eksperimentet. Mange gange, de er langt fra indlysende. De to typer neuron livstidseksperimenter har vidt forskellige potentielle systematiske fejl. Eksperimenterne ville være et godt tjek på hinanden, hvis resultaterne stemte overens. Men det gør det djævelsk svært at finde ud af, hvorfor de ikke gør det.

"Det sværeste ved at måle neutronens levetid er, at den både er for kort og for lang, " sagde Hoogerheide. "Det viser sig, at 15 minutter er en virkelig akavet tid at måle i fysik."

Så nuklear videnskabsmænd fortsætter arbejdet med at indsamle flere data og minimere systematiske fejl.

"En af de ting, som jeg synes er sjovest ved mit felt, er den udsøgte opmærksomhed på detaljer, der kræves, og hvor dybt du skal forstå alle aspekter af dit eksperiment for at foretage en robust måling, " sagde Leah Broussard, en kernefysiker ved ORNL.

Hos NIST, Hoogerheide, Greene, og andre kører et nyt stråleeksperiment, der gennemgår hvert muligt problem på en så omfattende måde som muligt. Desværre, hver tweak påvirker de andre, så det er to skridt fremad, et skridt tilbage.

Andre bestræbelser ser på nye måder at måle neutronens levetid på. Forskere fra Johns Hopkins University og Det Forenede Kongerige Durham University, støttet af DOE, fandt ud af, hvordan man bruger data fra NASA til at måle neutronens levetid. Baseret på neutroner, der kommer fra Venus og Merkur, de beregnede en levetid på 780 sekunder med en usikkerhed på 130 sekunder. Men fordi dataindsamlingen ikke var designet til dette formål, usikkerheden er for høj til at løse livstidsforskellen. Hos LANL, Tang er ved at opsætte et eksperiment, der er en krydsning mellem flaske- og stråleeksperimenter. I stedet for at måle protoner i slutningen, det vil måle elektroner.

Eksotiske muligheder venter

Der er også muligheden for, at forskellen afslører et hul i vores viden om denne fundamentale partikel.

"Vi kan ikke lade nogen sten stå uvendt, " sagde Tang. "Der er så mange eksempler på folk, der har set noget, har lige smidt noget til en fejl, ikke arbejdet hårdt nok på det, og det gjorde en anden, og de fik Nobelprisen."

En teori er, at neutronen nedbrydes på en måde, som forskerne simpelthen ikke er klar over. Det kan nedbrydes til andre partikler end den velkendte proton, elektron, og anti-neutrino kombination. Hvis det gør, det ville forklare, hvorfor neutroner forsvinder i flaskeeksperimenterne, men det tilsvarende antal protoner dukker ikke op i stråleforsøgene.

Andre ideer er endnu mere radikale. Nogle teoretikere foreslog, at neutroner bryder op i gammastråler og mystisk mørkt stof. Mørkt stof udgør 75 procent af stoffet i universet, dog interagerer så vidt vi ved kun med regulært stof via tyngdekraften. For at teste denne teori, en gruppe forskere ved LANL lavede en version af flaskeeksperimentet, hvor de målte både neutroner og gammastråler. Men de foreslåede gammastråler blev ikke til noget, efterlader videnskabsmænd uden bevis for mørkt stof fra neutroner.

Spejlstof er et andet muligt begreb, der lyder som science-fiction. I teorien, de "manglende" neutroner kan blive til spejlneutroner, perfekte kopier, der findes i et modsat univers. Efter at have udviklet sig på en anden måde end vores univers, dette spejlunivers ville være meget koldere og domineret af helium. Mens nogle nuklear videnskabsmænd såsom Greene mener, at dette er "usandsynligt, "Andre er interesserede i at teste det for en sikkerheds skyld.

"Det er relativt uudforsket territorium. Det er meget overbevisende for mig, fordi jeg har en fantastisk kilde til neutroner i min baghave, sagde Broussard, med henvisning til Spallation Neutron Source og High Flux Isotope Reactor, begge DOE Office of Science brugerfaciliteter på ORNL.

For at teste denne teori, Broussard analyserer data fra et eksperiment, der efterligner strålelevetidseksperimenterne, men justeret for at fange et tegn på neutronens potentielle usynlige partner. Ved at skyde en neutronstråle gennem et bestemt magnetfelt og derefter stoppe den med et materiale, der standser normale neutroner, hun og hendes kolleger burde være i stand til at opdage, om der findes spejlneutroner eller ej.

Uanset hvilke resultater dette eksperiment giver, arbejdet med at forstå neutronens levetid vil fortsætte. "Det er meget sigende, at der er så mange forsøg på præcist at måle neutronens levetid. Det fortæller dig videnskabsmænds følelsesmæssige reaktion på en uoverensstemmelse på området – "Jeg vil gerne udforske det her!'" sagde Broussard. "Enhver videnskabsmand er motiveret af lysten til at lære, ønsket om at forstå."