Fysikere annoncerer verdens mest præcise måling af neutrons levetid

Partikler kaldet neutroner er typisk meget indholdsrige inde i atomer. De holder sig i milliarder af år og længere inde i nogle af de atomer, der udgør stof i vores univers. Men når neutroner er frie og flyder alene uden for et atom, de begynder at henfalde til protoner og andre partikler. Deres levetid er kort, varer kun cirka 15 minutter.

Fysikere har brugt årtier på at prøve at måle en neutrons nøjagtige levetid ved hjælp af to teknikker, den ene involverer flasker og den anden bjælker. Men resultaterne fra de to metoder har ikke matchet:de adskiller sig med omkring 9 sekunder, hvilket er vigtigt for en partikel, der kun lever cirka 15 minutter.

Nu, i en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , et hold videnskabsmænd har foretaget den mest præcise måling endnu af en neutrons levetid ved hjælp af flasketeknikken. Eksperimentet, kendt som UCNtau (for Ultra Cold Neutrons tau, hvor tau refererer til neutronens levetid), har afsløret, at neutronen lever 14,629 minutter med en usikkerhed på 0,005 minutter. Dette er en faktor på to mere præcise end tidligere målinger foretaget ved hjælp af en af ​​metoderne. Selvom resultaterne ikke løser mysteriet om, hvorfor flaske- og strålemetoderne er uenige, de bringer videnskabsmænd tættere på et svar.

"Dette nye resultat giver en uafhængig vurdering for at hjælpe med at løse neutronernes livstidspuslespil, " siger Brad Filippone, Francis L. Moseley professor i fysik og medforfatter til det nye studie. Metoderne er fortsat uenige, han forklarer, fordi enten en af ​​metoderne er defekt, eller fordi der sker noget nyt i fysikken, som endnu ikke er forstået.

"Når det kombineres med andre præcisionsmålinger, dette resultat kunne give det meget søgte bevis for opdagelsen af ​​ny fysik, " han siger.

Resultaterne kan også hjælpe med at løse andre langvarige mysterier, såsom hvordan stof i vores spædbarnsunivers først stivnede ud af en varm suppe af neutroner og andre partikler. "Når vi kender neutronens levetid præcist, det kan hjælpe med at forklare, hvordan atomkerner blev dannet i de tidlige minutter af universet, ”siger Filippone.

Blinde test

I 2017 og 2018, UCNtau-holdet udførte to flaskeeksperimenter på Los Alamos National Laboratory (LANL). I flasken metode, frie neutroner er fanget i en ultrakulde, magnetiseret flaske på størrelse med et badekar, hvor de begynder at henfalde til protoner. Ved hjælp af sofistikerede dataanalysemetoder, forskere kan tælle, hvor mange neutroner der er tilbage over tid. (I strålemetoden, en stråle af neutroner henfalder til protoner, og protonerne tælles ikke neutronerne.)

I løbet af eksperimenterne, UCNtau-samarbejdet talte 40 millioner neutroner.

For at fjerne eventuelle skævheder i målingerne, forårsaget af forskere bevidst eller ubevidst skævvridning af resultater for at matche forventede resultater, samarbejdet delte sig i tre grupper, der arbejdede blindt. Et hold blev ledet af Caltech, en anden fra Indiana University, og en anden af ​​LANL. Hvert hold fik et falsk ur, så forskerne faktisk ikke ville vide, hvor lang tid der var gået.

"Vi lavede vores ure med vilje lidt for et beløb, som nogen kendte, men så holdt hemmeligt indtil slutningen af ​​eksperimentet, " siger medforfatter Eric Fries (Ph.D. '22), der ledede Caltech-teamet og udførte forskningen som en del af sin ph.d. afhandling.

"Dette gør eksperimentet mere pålideligt, fordi der ikke er nogen chance for bevidst eller ubevidst bias i at tilpasse resultaterne til at matche den forventede neutronlevetid, tilføjer Filippone. vi kender ikke den faktiske levetid, før vi korrigerer for dette til allersidst under 'afblændingen'."

Fanger de lynende neutroner

En udfordring i studiet af omstrejfende neutroner er, at de nemt kan binde sig til atomer, siger Filippone. Han bemærker, at atomkerner i det eksperimentelle apparat let kan "æde neutronerne op som Pac-Man." Som resultat, forskerne måtte skabe et meget tæt vakuum i kammeret for at holde uønskede gasser ude.

De måtte også dramatisk bremse neutronerne, så de kan fanges af magnetfelter og tælles.

"Vi er nødt til at afkøle disse neutroner gennem forskellige trin, " siger Filippone. "Nøgletrinet i slutningen er at få neutronerne til at interagere med en solid frossen del af deuterium [en tungere version af brint] på størrelse med en fødselsdagskage, hvilket får neutronerne til at miste energi."

Når eksperimenterne var udført, og dataene blev indsamlet, hvert af de tre teams brugte forskellige metoder til at analysere dataene. Fries og Caltech-teamet brugte maskinlæringsmetoder til at hjælpe med at tælle neutronerne. "Den vanskelige del er at se på de enkelte datapunkter og sige, Ja, det er faktisk en neutron, " siger Fries.

Da alle tre hold afblindede deres resultater, de fandt en bemærkelsesværdig grad af enighed. "Vi behandlede alle data forskelligt, men kom med næsten det samme svar, med forskelle, der var mindre end den samlede statistiske fejl, " siger Fries.

Til sidst, neutronens levetid blev beregnet til en præcision bedre end 400 ppm, gør det til det mest præcise resultat endnu. Fremtidige eksperimenter er i gang for at hjælpe yderligere med at forfine målinger foretaget ved hjælp af strålemetoden og for i sidste ende at afgøre, om systematiske fejl eller ny fysik ligger bag neutron-levetidsmysteriet.

Avisen har titlen, "En forbedret neutronlevetidsmåling med UCNtau."