Araştırmacılar, Ücretsiz Bir Nötron Ömrü Boyunca Şimdiye Kadar Alınan En Hassas Ölçümü Duyurdu – ExtremeTech

Büyük soruları yanıtlamak için bazen çok küçük sorulara bakmamız gerekir. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı bünyesindeki Los Alamos Neutron Bilim Merkezi’nin Ultracold Nötron Kaynağındaki araştırmacılar, nötronların davranışını incelemek için daha düşük sıcaklıklarda çalışarak on yıldan fazla bir süredir kriyo-batondan geçiyorlar. Şimdi, bilim adamlarından oluşan uluslararası bir işbirliği, yüzde onda ikiden daha az bir belirsizlik içinde, serbest bir nötronun ömrü hakkında şimdiye kadar yapılmış en hassas ölçümü duyurdu.

Nötronlar, radyoaktif olan en basit parçacıktır ve bu diğer parçacıklara ayrıldıklarını söylemektir. Çekirdek içinde nötronlar kararlıdır. Bununla birlikte, bir çekirdeğin dışında, tamamen farklı bir oyundur. Çekirdeğin dışındayken, nötron bozunması uzun sürmez: önceki çalışma, serbest bir nötronun yarı ömrünün yaklaşık on beş dakika olduğunu tahmin ediyordu, üst uç ve alt uç tahminler arasında birkaç on saniye veriyor veya alıyor. Ancak bu “ver ya da al”, bir teori oluşturmak veya yıkmak için yeterlidir.

Altyazı: “Bir atomun çekirdeğinin β− radyasyonunu, çekirdekten hızlı bir elektron emisyonunu gösteren bir şeması ( eşlik eden antineutrino atlanmıştır).

: Ek, bugün anlaşıldığı gibi serbest bir nötronun beta bozunmasını gösterir; bu süreçte bir elektron ve antinötrino oluşur.” Resim ve başlık InductiveLoad, Public Domain.

“Bir nötronun bir protona ‘çürümesi’ – bir hafif elektron emisyonu ve neredeyse kütlesiz bir nötrino ile – en büyüleyici süreçlerden biridir. fizikçiler tarafından bilinir,” dedi Los Alamos’taki deneyleri yöneten Daniel Salvat. “Bu değeri çok kesin bir şekilde ölçme çabası önemlidir, çünkü nötronun kesin ömrünü anlamak evrenin nasıl geliştiğine ışık tutabilir – ayrıca fizikçilerin atom altı evren modelimizde var olduğunu bildiğimiz ama kimsenin bilmediği kusurları keşfetmesine izin verebilir. henüz bulabildik.”

Bilim adamlarının serbest nötronları inceleyebilmelerinin bir yolu da parçacık demetidir. İlk olarak, ışının belirli bir hacmindeki nötron sayısını ölçerler. Ardından, ışını bir EM alanı tarafından oluşturulan bir “parçacık tuzağına” yönlendirirler. Fare kapanı gibi, onu kuruyorlar ve daha sonra geri geliyorlar. Nötronların bozunmasından geriye kalan protonların sayısı, o sırada kaç tane nötronun bozunduğunun kanıtıdır.

Serbest nötronları incelemenin bir başka önemli yolu da bir “şişe” kullanmaktır. Ultra soğuk nötronlar, saniyede milyonlarca kilometre hızla hareket eden fisyon reaksiyonlarındaki nötronlarla karşılaştırıldığında, saniyede birkaç metre çok yavaş hareket eder.

Bu, “canlı” nötronların bir ölçümüdür, ışın deneyleri ise “ölü”yü ölçer.

“Işın” ve “şişe” deneyleri aynı fikirde olsaydı, şu olurdu: ölçülen bir nötronun ömrü, oyun bitti. Ancak okumalar uyuşmayacaktı, bu yüzden bilim adamları tutarsızlıkları ortadan kaldırmak için çalışmaya başladılar. Bir fizikçi, Chen-Yu Liu, ultracold nötronlar ve onların şişeleri arasındaki etkileşimlere özellikle dikkat etti. Los Alamos’taki önceki çalışmalarda, Liu ve meslektaşları, nötronları için fiziksel konteynerden tamamen vazgeçtiler, bunun yerine bir elektromanyetik alana geçtiler. Bu deneyi yöneten Indiana Üniversitesi fizik profesörü Liu, “Bunu yaparsak, daha uzun yaşamak için bir nötron elde edebileceğimiz ve ışın ömrü ile aynı fikirde olabileceğimiz kampındaydım” dedi. “Bu benim kişisel önyargımdı.” Ama fark kaldı. 2018 çalışması hakkında “Bu benim için büyük bir şoktu” dedi. Hata kaynaklarını bulmaya devam eden Liu, bu mevcut ultracold deneyine de katıldı.

Bu deneyde, UCNtau araştırmacıları Ultracold Neutron kaynağından gelen nötronları, yaklaşık 4.000 mıknatısla kaplı bir anti-yerçekimi “manyetik küvet” içinde yakalarlar. . Nötronlar sayıldıktan sonra, 30 ila 90 dakika boyunca küvetlerinde beklemeye bırakılırlar ve sonra kaç nötronun hayatta kaldığını görmek için tekrar sayılırlar.

Çalışma, bir serbest nötronun yarı ömrünün 877.75 +/- 0.28 saniye olduğunu ve 0.34 saniyelik bir belirsizlik olduğunu bildiriyor. Yine de belirsizliği ortadan kaldırmak için, UCNtau tuzağı aslında nötronların banyodaki tüm kuru erikleri almasına izin verebilir: nötronları on bir gün veya daha fazla mutlak sıfıra yakın tutabilir. Bu, deneyin aşırı uzun ömürlü aykırı değerleri bile hesaba katarak şimdiye kadarki en hassas ölçümlere izin verebileceği anlamına gelir.

Yarı ömür sorunu hala çözülmedi , ancak UCNtau gibi deneyler boşluğu hızla kapatıyor. Bu arada, bu çok hassas karasal ölçümü bile doğrulamayı veya düzeltmeyi umarak, uzay tabanlı ölçüm tekniklerini kullanan tamamlayıcı çabalar devam etmektedir. 2020’de, NASA ve MESSENGER uzay aracını Merkür ve Venüs’ten nötron sızıntısını ölçmek için kullanan başka bir uluslararası araştırmacı grubu arasındaki işbirliğinden elde edilen sonuçlar yayınlandı. Rapor edilen nötron yarı ömürleri, UCNtau deneylerinde bildirilenden daha kısaydı, ancak MESSENGER bir nötron toplayıcı olarak tasarlanmamıştı.

Sonuçta, bu ölçümler, aşağıdakiler gibi temel soruları yanıtlamamıza yardımcı olabilir. erken evrendeki elementlerin göreceli bolluğu.

Salvat, “Nötron bozunmasını açıklayan temel model, kuarkların kimliklerini değiştirmesini içeriyor, ancak son zamanlarda geliştirilmiş hesaplamalar, bu sürecin daha önce tahmin edildiği gibi gerçekleşmeyebileceğini gösteriyor” dedi. “Nötron ömrüne ilişkin yeni ölçümümüz, bu sorunu çözmek için bağımsız bir değerlendirme sağlayacak veya yeni fiziğin keşfi için çok aranan kanıtlar sağlayacak.”

Araştırma, 13 Ekim’de bildirildi. Fiziksel İnceleme Mektupları sayısı. Çalışmanın önceden basılmış bir versiyonu da arXiv’de mevcut.

Şimdi Okuyun:

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu Fırlatma Sitesinde VardıWilliam Shatner Uzay ve Arka Astronomlar, Üç Yıldızın Yörüngesinde Dönen İlk Dış Gezegen Bulmuş Olabilir.