De levensduur van een neutron is nauwkeuriger gemeten dan ooit tevoren

Wetenschappers in het UCNτ-experiment, uitgevoerd in het Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), hebben met succes de leeftijd van neutron Met de hoogste nauwkeurigheid ooit gemeten: de gemiddelde tijd voor het verval van dit subatomaire deeltje is 877,75 seconden met een onzekerheid van 0,039% (ongeveer 14 minuten en 37 seconden). Deze waarde is twee keer zo nauwkeurig als eerdere metingen en komt nu overeen met theoretische berekeningen. Maar met een andere meetmethode, de neutronen Het blijft ongeveer 8 seconden langer en natuurkundigen weten nog steeds niet waarom…

Neutronen zijn subatomaire deeltjes zonder elektrische lading; In de kernen van atomen zijn ze via een sterke wisselwerking aan protonen gebonden en kunnen ze eeuwig doorgaan. Maar afgezien van atoomkernen, wanneer ze worden geproduceerd door bijvoorbeeld kernsplijting, zijn neutronen onstabiel en vallen ze uiteen in andere deeltjes (proton, een Elektron en elektronische antineutrino) – dit is bètaverval – met een gemiddelde levensduur van ongeveer 15 minuten.

Deze nieuwe, ultranauwkeurige meting is gedaan dankzij het zogenaamde “fles”-experiment. Het experiment is ontworpen om ultrakoude neutronen (UCN) te vangen met minimale bronnen van verlies, afgezien van bètaverval: dus wordt een bekend aantal UCN’s in de val geïntroduceerd en wordt het aantal resterende neutronen gemeten. Om een ​​halfwaardetijd af te sluiten. Een magnetische val wordt gebruikt om neutronen op te sluiten, zodat ze tijdens opslag geen interactie aangaan met materiaaloppervlakken.

Een kloof die meerdere jaren duurde

In eerdere experimenten werden materiaalvallen gebruikt om NCU’s te bevatten die, naast hun desintegratie, konden worden geadsorbeerd of verspreid door de wanden van deze vallen; Daarom moesten deze fysieke interacties zorgvuldig worden bestudeerd om de halfwaardetijd van neutronen te bepalen. UCNτ .ervaring Het rust op een magnetische val van 670 liter, bestaande uit meer dan 5.000 NdFeB-magneten (de grootste van dit type); Het werd begin 2013 met succes in gebruik genomen en maakt nauwkeurigere metingen mogelijk dan ooit tevoren.

De neutronen worden gekoeld tot extreem koude temperaturen voordat ze in deze vacuüm “fles” worden geplaatst. Het meten is echter niet zo eenvoudig. als Natuurkundige Shannon Hogerhead legt uit: De Nationaal Instituut voor Standaarden en TechnologieAangezien een neutron een levensduur heeft van ongeveer 15 minuten, vereist het verkrijgen van een voldoende aantal verval om de gewenste statistische nauwkeurigheid over een praktische periode te bereiken, het opsluiten van een zeer groot aantal deeltjes. Studie auteurs citeren 38.10⁶ UCN-overlevenden na opslag.

In dit experiment worden UCN’s gepolariseerd om te zoeken naar ondergrenzen van het magnetische veld voordat ze in de magnetische zwaartekrachtval worden geïntroduceerd. Het UCN-monster wordt vervolgens ‘gereinigd’: de moleculen met hogere energie worden ofwel opgevangen door de oppervlakken van het ZnS gecoat met boor-10, of verspreid buiten de val. Ten slotte bevat de val alleen energiezuinige UCN’s, die weinig kans hebben om te ontsnappen tijdens de opslagtijd (van 20 seconden tot ongeveer een half uur). Aan het einde van elke cyclus, reagens Ter plekke Ze worden direct in de val neergelaten om resterende UCN’s te tellen, waardoor verliezen worden beperkt (volgende experimenten vereisen extractie van UCN’s uit de val om te tellen via een afzonderlijk reagens).

Terwijl het LANSCE-team flessentechnologie gebruikt om deze meting uit te voeren, gebruiken andere natuurkundigen, zoals Shannon Hoogerheide, een methode waarbij ze het verval van deeltjes observeren terwijl ze in een straal bewegen. Tot een paar jaar geleden waren de resultaten van beide experimenten consistent (rekening houdend met foutenmarges); Maar hoe nauwkeuriger de metingen worden, hoe meer de resultaten wegdrijven, en vandaag blijkt dat de neutronen die in de bundels worden gemeten een iets langere levensduur lijken te hebben.

Ruimtemetingen om afwijkingen op te lossen

De onlangs aangekondigde resultaten zijn gebaseerd op bètatests in 2017 en 2018, waarbij het team verschillende verbeteringen heeft aangebracht waardoor de foutmarges konden worden gehalveerd. maïs ” Hoewel dit resultaat indrukwekkend en belangrijk is, moet worden opgemerkt dat de verbetering in nauwkeurigheid onvoldoende is om de aanhoudende discrepantie op te lossen die de metingen van de levensduur van neutronen beïnvloedt. » Emotioneel Hoogerheide.

Een derde meettechniek zou het probleem uiteindelijk kunnen oplossen en dit verschil kunnen verklaren. Dat is de reden waarom natuurkundige David Lawrence en zijn medewerkers aan de Johns Hopkins University in Baltimore zich ontwikkelden nieuwe technologie. Dit is gebaseerd op het feit dat de meeste planeten neutronen uitzenden wanneer ze kosmische straling raken.

« Sommige neutronen gaan op en neer en komen nooit meer terug ‘ legt Laurens uit. Door het aantal neutronen dat in de ruimte wordt uitgezonden te vergelijken met het aantal neutronen dat terugkeert, kan dus hun leeftijd worden geschat. Volgens de specialist kun je deze meting het beste doen met een sonde in een baan om Venus, omdat de atmosfeer, die erg CO2-rijk is, neutronen niet goed opneemt.

Net als het UCNτ-experimentteam proberen Hoogerheide en collega’s hun bundeltechniek te verbeteren en zijn ze van plan de nauwkeurigheid met een factor 10 te verbeteren. Voor natuurkundigen is het essentieel om de levensduur van deze deeltjes te kennen voor hun experimenten; In feite is de halfwaardetijd van neutronen nauw verwant aan vele andere processen in de deeltjesfysica en kosmologie. Deze waarde is bijvoorbeeld een van de inputs die worden gebruikt om de overvloed aan helium-4 in het vroege heelal te berekenen als gevolg van de oerknal.

Bronnen : de natuur temperen En Fysieke beoordelingsbrieven, FM Gonzalez et al.