Fysikere står over for neutronernes livstidspuslespil

For at løse et mangeårigt puslespil om, hvor længe en neutron kan "leve" uden for en atomkerne, underholdt fysikere en vild, men testbar teori, der antyder eksistensen af ​​en højrehåndet version af vores venstrehåndsunivers. De designede et tankevækkende eksperiment ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory for at forsøge at opdage en partikel, der er blevet spekuleret, men ikke opdaget. Hvis den bliver fundet, kan den teoretiserede "spejlneutron" - en tvilling af mørkt stof til neutronen - forklare en uoverensstemmelse mellem svar fra to typer neutronlevetidseksperimenter og give den første observation af mørkt stof.

"Mørkt stof forbliver et af de vigtigste og mest forvirrende spørgsmål i videnskaben – klare beviser på, at vi ikke forstår alt stof i naturen," sagde ORNL's Leah Broussard, der ledede undersøgelsen offentliggjort i Physical Review Letters .

Neutroner og protoner udgør et atoms kerne. De kan dog også eksistere uden for kerner. Sidste år, ved hjælp af Los Alamos Neutron Science Center, førte medforfatter Frank Gonzalez, nu hos ORNL, den mest præcise måling nogensinde af, hvor længe frie neutroner lever, før de henfalder eller bliver til protoner, elektroner og anti-neutrinoer. Svaret – 877,8 sekunder, giv eller tag 0,3 sekunder, eller lidt under 15 minutter – antydede en revne i standardmodellen for partikelfysik. Den model beskriver subatomære partiklers opførsel, såsom de tre kvarker, der udgør en neutron. Vendingen af ​​kvarker initierer neutronhenfald til protoner.

"Neutronlevetiden er en vigtig parameter i standardmodellen, fordi den bruges som input til beregning af kvark-blandingsmatrixen, som beskriver kvark-henfaldshastigheder," sagde Gonzalez, som beregnede sandsynligheden for, at neutroner oscillerer til ORNL-undersøgelsen. "Hvis kvarkerne ikke blandes, som vi forventer, at de skal, tyder det på ny fysik ud over standardmodellen."

For at måle levetiden for en fri neutron tager forskerne to tilgange, der burde nå frem til det samme svar. Man fanger neutroner i en magnetisk flaske og tæller deres forsvinden. Den anden tæller protoner, der optræder i en stråle, når neutroner henfalder. Det viser sig, at neutroner ser ud til at leve ni sekunder længere i en stråle end i en flaske.

Gennem årene har forvirrede fysikere overvejet mange årsager til uoverensstemmelsen. En teori er, at neutronen omdannes fra en tilstand til en anden og tilbage igen. "Oscillation er et kvantemekanisk fænomen," sagde Broussard. "Hvis en neutron kan eksistere som enten en regulær neutron eller en spejlneutron, så kan du få denne form for oscillation, en vippende frem og tilbage mellem de to tilstande, så længe den overgang ikke er forbudt."

Det ORNL-ledede hold udførte den første søgning efter neutroner, der oscillerer ind i mørkt stof spejlneutroner ved hjælp af en ny forsvindings- og regenereringsteknik. Neutronerne blev lavet på Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet. En stråle af neutroner blev ført til SNS's magnetismereflektometer. Michael Fitzsimmons, en fysiker med en fælles udnævnelse ved ORNL og University of Tennessee, Knoxville, brugte instrumentet til at anvende et stærkt magnetfelt for at øge svingninger mellem neutrontilstande. Så ramte strålen en "væg" lavet af borcarbid, som er en stærk neutronabsorber.

Hvis neutronen faktisk svinger mellem regulære og spejltilstande, når neutrontilstanden rammer væggen, vil den interagere med atomkerner og blive absorberet i væggen. Hvis det er i sin teoretiserede spejlneutrontilstand, er det imidlertid mørkt stof, der ikke vil interagere.

Så kun spejlneutroner ville komme igennem væggen til den anden side. Det ville være, som om neutronerne var gået gennem en "portal" til en eller anden mørk sektor - et figurativt koncept, der bruges i fysiksamfundet. Alligevel havde pressen, der rapporterede om tidligere relateret arbejde, det sjovt at tage sig fri med konceptet, idet de sammenlignede det teoretiserede spejlunivers, som Broussards team udforsker med den alternative virkelighed "Upside Down" i tv-serien "Stranger Things". Holdets eksperimenter udforskede ikke en bogstavelig portal til et parallelt univers.

"Dynamikken er den samme på den anden side af væggen, hvor vi forsøger at inducere, hvad der formentlig er spejlneutroner - tvillingetilstanden i mørkt stof - til at blive tilbage til almindelige neutroner," sagde medforfatter Yuri Kamyshkov, en UT-fysiker. der sammen med kolleger længe har forfulgt ideerne om neutronoscillationer og spejlneutroner. "Hvis vi ser nogen regenererede neutroner, kan det være et signal om, at vi har set noget virkelig eksotisk. Opdagelsen af ​​mørkt stofs partikelnatur ville have enorme implikationer."

Matthew Frost fra ORNL, som modtog sin doktorgrad fra UT i samarbejde med Kamyshkov, udførte eksperimentet med Broussard og hjalp med dataudtræk, reduktion og analyse. Frost og Broussard udførte foreløbige test med hjælp fra Lisa DeBeer-Schmitt, en neutronspredningsforsker ved ORNL.

Lawrence Heilbronn, en nuklear ingeniør ved UT, karakteriserede baggrunde, hvorimod Erik Iverson, en fysiker ved ORNL, karakteriserede neutronsignaler. Gennem DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships-program fandt Michael Kline fra Ohio State University ud af, hvordan man beregner svingninger ved hjælp af grafikbehandlingsenheder - acceleratorer af specifikke typer beregninger i applikationskoder - og udførte uafhængige analyser af neutronstråleintensitet og statistik , og Taylor Dennis fra East Tennessee State University hjalp med at opsætte eksperimentet og analyserede baggrundsdata og blev finalist i en konkurrence om dette arbejde. UT-kandidatstuderende Josh Barrow, James Ternullo og Shaun Vavra med studerende Adam Johnston, Peter Lewiz og Christopher Matteson bidrog på forskellige stadier af eksperimentforberedelse og analyse. University of Chicago kandidatstuderende Louis Varriano, en tidligere UT Torchbearer, hjalp med konceptuelle kvantemekaniske beregninger af spejl-neutron-regenerering.

Konklusionen:Der blev ikke set tegn på neutronregenerering. "100 procent af neutronerne stoppede; nul procent passerede gennem væggen," sagde Broussard. Uanset hvad er resultatet stadig vigtigt for udviklingen af ​​viden på dette område.

Med en bestemt spejl-stof-teori afkræftet, henvender forskerne sig til andre for at prøve at løse neutronernes livstidspuslespil. "Vi vil blive ved med at lede efter årsagen til uoverensstemmelsen," sagde Broussard. Hun og kolleger vil bruge High Flux Isotope Reactor, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, til det. Løbende opgraderinger ved HFIR vil gøre mere følsomme søgninger mulige, fordi reaktoren vil producere en meget højere flux af neutroner, og den afskærmede detektor ved dens lille-vinklede neutronspredningsdiffraktometer har en lavere baggrund.

Fordi det strenge eksperiment ikke fandt bevis for spejlneutroner, var fysikerne i stand til at udelukke en langt ude teori. Og det bringer dem tættere på at løse gåden.

Hvis det virker trist, at neutronernes livstidspuslespil forbliver uløst, så tag trøst fra Broussard:"Fysik er svært, fordi vi har gjort et for godt stykke arbejde med det. Kun de virkelig svære problemer - og heldige opdagelser - er tilbage." + Udforsk yderligere

Forståelse af det tidlige univers afhænger af estimering af neutroners levetid