Branduoliniai fizikai stengiasi išaiškinti keistą neutronų gyvenimo trukmės paslaptį.

Devynios amžinos sekundės atliekant kokį nors mokslinį eksperimentą Neįsivaizduojama maža suma visatos apybraižoje. Ir pakankamai ilgai, kad suklaidintų branduolių fizikus, tiriančius neutronų gyvenimo trukmę.

Neutronai yra vienas pagrindinių materijos komponentų, neutrali teigiamų protonų pora. Kaip ir daugelis kitų subatominių dalelių, neutronai yra netrukus už branduolio. Maždaug per 15 minučių jis suskaidomas į mažus protonus, elektronus ir daleles, žinomas kaip anti-neutrinai.

Bet kiek laiko neutronai išsiskiria, yra paslaptis. Vienas metodas buvo 887,7 sekundės plius minus 2,2 sekundės, kitas 878,5 sekundės plius minus 0,8 sekundės. Iš pradžių šis skirtumas buvo matavimo jautrumo klausimas. Tai gali būti tik tai Tačiau mokslininkams atliekant vis tikslesnius eksperimentus galimoms problemoms įvertinti, neatitikimai išlieka.

Matthew Frostas ir Leah Broussard

Iš kairės ORNL darbuotojai Matthew Frostas ir Leahas Broussardas dirba „Spallation Neutron Source“ magnetizmo reflektoriuje, kuris naudojamas neutronams rasti stiklinėje. Kreditas: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, JAV Energetikos departamentas.

Dėl šio atkaklumo atsirado galimybė, kad skirtumai rodo kažkokią nežinomą fiziką. Tai gali atskleisti nežinomą neutronų skilimo procesą. Arba tai gali būti nukreipimas į mokslą ne tik tai, ką standartiniai mokslininkai naudoja apibūdindami visą dalelių fiziką. Yra keletas reiškinių, kai standartinis modelis nėra iki galo paaiškintas, ir šie skirtumai gali parodyti, kaip į juos atsakyti.

Siekdamas atskleisti šį keistą skirtumą, Energetikos departamento (DOE) mokslo biuras bendradarbiauja su federalinėmis agentūromis, nacionalinėmis laboratorijomis ir kitais universitetais, kad sumažintų neutronų gyvenimo trukmę.

Pagrindinis kiekis

Branduoliniai fizikai pradėjo tyrinėti neutronų gyvenimo trukmę dėl savo vaidmens fizikoje. “Gamtoje yra keletas esminių tūrių, kurie, atrodo, visada yra svarbūs”, – sakė Geoffas Greene’as, profesorius ir fizikas iš Tenesio universiteto Oak nacionalinėje laboratorijoje. Jis tyrė neutronų gyvenimo trukmę maždaug 40 metų, sakė DOE’s Cridge. „Teorijos kyla ir eina. Tačiau neutronų gyvenimas vis dar yra svarbus veiksnys daugelyje dalykų “.

Neutronai yra naudingas būdas suprasti kitas daleles. Tai paprasčiausia radioaktyvioji dalelė, vadinasi, ji reguliariai skaidosi į kitas daleles, taip suteikdama supratimą apie silpną jėgą, tai lemiančią jėgą. Ar neutronai virsta protonais? Dažnai šis procesas išskiria energiją ir suardo branduolį. Silpna jėgų sąveika vaidina pagrindinį vaidmenį branduolio sintezėje, kur susijungia du protonai.

Neutrono gyvenimo trukmė gali suteikti įžvalgų apie tai, kas vyksta vėliau Didysis sprogimasPraėjus kelioms sekundėms po protonų ir neutronų susidarymo Bet prieš juos sudedant į elementus, yra tikslus laikas. Visata greitai vėsta. Kažkuriuo metu buvo pakankamai vėsu, kad protonai ir neutronai beveik akimirksniu susiliejo, kad susidarytų helis ir vandenilis. Jei neutronai truputį greičiau ar lėčiau skyla į protonus, jie tam procesui daro didelę įtaką. Visatoje bus labai skirtingų elementų pusiausvyra. Gali būti, kad gyvenimo nebus.

“Tai viena iš atsitiktinių gamtos avarijų, kai turime cheminį elementą”, – sakė Greenas. Mokslininkai turi išsiaiškinti tikslų neutronų gyvenimo trukmės skaičių, kad būtų galima prisijungti prie šių lygčių. Jie reikalauja, kad jų gyvenimo trukmė būtų netikresnė nei sekundė. Tačiau pasiekti šį tikslumą yra sunkiau, nei manyta iš pradžių. “Neutrono gyvenimo trukmė yra vienas iš pagrindinių parametrų, gerai žinomų standartiniuose modeliuose”, – sakė Zhaowenas Tangas, DOE Los Alamoso nacionalinės laboratorijos (LANL) fizikas. sakyk

Individualūs bandymai gali pasiekti šį tikslumo lygį. Tačiau skirtingų tipų eksperimentų neatitikimas mokslininkams neleido nustatyti pirminių skaičių.

Neatitikimo radimas

Atradimas, kad yra skirtumas, kyla iš fizikų noro visa tai aprėpti. Geriausias būdas garantuoti tikslų matavimą yra dviejų ar daugiau metodų naudojimas tam pačiam kiekiui matuoti. Tačiau mokslininkai negali planuoti neutronų, kad sužinotų, kaip greitai jie išsiskiria. Bet jie suprato, kaip išmatuoti neutronus prieš ir po skilimo, kad būtų galima apskaičiuoti gyvenimo trukmę.

„Beam“ eksperimente naudojama mašina, generuojanti neutronų srautą. Mokslininkai matuoja neutronų skaičių konkrečiame pluošto tūryje. Tada jie perduoda srovę per magnetinį lauką ir į dalelių gaudykles, kurias sudaro elektriniai ir magnetiniai laukai. Neutronai suyra spąstuose, kur mokslininkai galiausiai išmatuoja likusių protonų skaičių.

Shannonas Hoogerheide’as, Nacionalinio standartų ir technologijos instituto (NIST) fizikas, dirbantis su DOE mokslininkais, teigė, kad pluošto eksperimentai yra labai sunkus būdas tikslumui matuoti. “Spindulio matavimų nereikia atlikti tik vieną kartą. Bet dvigubai reikia matuoti absoliučią vertę “

Priešingai, kolba talpykloje surenka ypač šaltus neutronus. Itin šalti neutronai juda daug lėčiau nei įprasta – keli metrai per sekundę, palyginti su 10 milijonų metrų per sekundę nuo dalijimosi. Mokslininkai išmatuoja neutronų skaičių inde pradžioje ir po tam tikro laiko. Nagrinėjant skirtumus, galima apskaičiuoti, kaip greitai neutronai suyra.

„Buteliuko bandymas, šviesos pluoštas, negyvas pluoštas“, – sako Greenas. Bet iš tikrųjų tai labai sunku. Kita vertus, eksperimentuoti su sijomis skamba sunkiai ir sunkiai “.

Spindulinis eksperimentas NIST 2005 m. (Rėmė DOE) ir buteliuko eksperimentas Prancūzijoje netrukus po to, kai buvo atskleisti pirmųjų matavimų skirtumai. Nuo tada eksperimentu bandyta įveikti atotrūkį tarp jų, kuo labiau sumažinant neapibrėžtumą.

Greene ir jo bendradarbiai NIST atliko naują 2013 m. Matavimą, kuris padėjo tiksliau apskaičiuoti 2005 m. Pluošto eksperimentą. Tuo metu mokslininkai atliko penkis buteliukus ir dvi sijas. Greenas mano, kad ankstesni pluošto eksperimentai praleido vieną didžiausių neapibrėžtumo šaltinių – tiksliai skaičiuojant neutronų skaičių pluošte. Jie pagerino šio kintamojo matavimą, kad jis būtų penkis kartus tikslesnis. Tačiau aštuoneri metai sunkaus darbo paliko beveik tą patį rezultatų spragą.

Fizikams, kurie eksperimentuoja su buteliais, tenka susidurti su savo mūšiais. Vienas didžiausių iššūkių yra neleisti neutronams sąveikauti su talpykloje esančia medžiaga. Nutekėjimas keičia neutronų skaičių pabaigoje ir nutraukia gyvavimo ciklo apskaičiavimą.

Norėdami išspręsti šią problemą, naujausi LANL butelių eksperimentai (remiami Mokslo biuro) pašalino fizinį barjerą. Tačiau branduolių fizikai naudoja magnetinius laukus ir gravitacines jėgas, norėdami sulaikyti neutronus. „Aš stovykloje, jei taip elgsimės, galime gauti ilgiau gyvenantį neutroną ir susitarti dėl pluošto gyvenimo trukmės.“ Chen-Yu. Eksperimentui vadovavęs Indianos universiteto profesorius Liu sakė: „Tai mano asmeninis šališkumas“.

Tačiau skirtumai išliko. “Tai buvo didžiulis šokas man”, – sakė ji, paaiškindama 2018 m. Paskelbto tyrimo išvadas. Atsitiktinių galimybių skirtumai buvo mažiau nei 1 iš 10 000, bet vis tiek. Tai gali būti dėl bandymo defekto.

Medžiok tikrąją priežastį

Mokslininkai eksperimentuose susiduria su dviejų tipų neapibrėžtumu ar klaidomis: statistiniai arba sisteminiai. Statistinės klaidos atsiranda dėl to, kad neturima pakankamai informacijos, kad būtų galima padaryti galutines išvadas. Jei galite gauti daugiau informacijos, galite patikimiau sumažinti šias klaidas. Sisteminė klaida yra esminis eksperimento neapibrėžtumas. Daug kartų jie dar toli gražu nėra aiškūs. Dviejų tipų neuronų gyvenimo tyrimai turėjo žymiai skirtingas sistemos klaidas. Eksperimentai skirti patikrinti, ar rezultatai atitinka. Tačiau sunku suprasti, kodėl jie to nedaro.

“Sunkiausia matuoti neutronų gyvenimo trukmę yra tai, kad jis yra ir per trumpas, ir per ilgas”, – sakė Hoogerheide’as. – Pasirodo, kad 15 minučių yra labai nepatogus laikas matuoti fiziką. “

Taigi branduoliniai mokslininkai nuolat stengiasi rinkti daugiau informacijos ir sistemingai sumažinti klaidų skaičių.

„Vienas dalykas, kuris man labiausiai patinka mano srityje, yra tai, kad dėmesys detalėms yra būtinas ir kaip giliai reikia suprasti visus eksperimento aspektus, kad matavimas būtų efektyvus“, – sakė Leah. Broussardas, ORNL branduolio fizikas, sakė.

„NIST“ kompanijoje Hoogerheide, Greene ir kiti atlieka naujus spindulių eksperimentus, kurie kuo išsamiau paaiškina kiekvieną įmanomą problemą. Deja, kiekviena daina daro įtaką kitiems, taigi tai du žingsniai į priekį, vienas žingsnis atgal.

Kitos pastangos ieško naujų būdų, kaip išmatuoti neutronų gyvenimą. Tyrėjai iš Johns Hopkinso universiteto ir Durhamo universiteto finansuojamos JK išsiaiškino, kaip naudoti duomenis iš NASA Norėdami išmatuoti neutrono gyvenimą Priklausomai nuo išleistų neutronų Venera „Mercury“ jie apskaičiuoja 780 sekundžių gyvenimo trukmę su 130 sekundžių neapibrėžtimi, tačiau, kadangi duomenų rinkimas nebuvo skirtas šiam tikslui, neapibrėžtumas buvo per didelis, kad būtų galima ištaisyti naudojimo trukmės skirtumą. LANL tinkle Tangas rengia eksperimentą, apimančią butelių ir spindulių eksperimentus. Užuot matavę protonus gale, matuojami elektronai.

Laukia naujos galimybės.

Taip pat gali būti, kad skirtumai atskleidžia mūsų žinių apie šią pagrindinę dalelę spragas.

“Negalime palikti jokių uolų nesisukdami, – sakė Tangas. – Yra tiek daug pavyzdžių, kai žmonės kažką matė, tiesiog padarė ką nors blogo, nepakankamai dirbo ir kažkas kitas tai padarė. Jam buvo įteikta Nobelio premija “

Viena teorija yra ta, kad neutronai dūžta taip, kaip mokslininkai to nežino. Jis gali būti suskaidytas į kitokią dalelę nei įprastas protonų, elektronų ir anti-neutrinų derinys. Jei taip, tai paaiškintų, kodėl buteliuko eksperimente trūko neutronų. Bet eksperimente su spinduliais atitinkamas protonų skaičius nepasirodė.

Kitos idėjos yra dar rimtesnės. Kai kurie teoretikai teigė, kad neutronai prasiveržia į gama spindulius ir paslaptingą tamsiąją medžiagą. Tamsioji materija sudaro 75 procentus visatos materijos. Tačiau, kiek mes žinome, jis reaguoja tik su normalia materija per gravitaciją. Norėdami patikrinti šią teoriją, grupė LANL mokslininkų atliko kolbos versiją, kurioje matavo neutronus ir gama spindulius. Bet siūlomi gama spinduliai nepasitvirtino, todėl mokslininkams neliko jokių neutronų sukeltų tamsiųjų medžiagų įrodymų.

Veidrodinė istorija yra dar viena sąvoka, kuri skamba kaip mokslinė fantastika. Teoriškai „nykstantis“ neutronas gali virsti veidrodiniu neutronu, puikia kopija, egzistuojančia priešingoje visatoje. Esant kitokiai evoliucijai nei mūsų visata, ši veidrodinė visata yra šaltesnė ir joje vyrauja helis. Nors kai kurie branduoliniai mokslininkai, pavyzdžiui, Greene, tai mano „Neįtikėtina“, bet kitiems buvo įdomu išbandyti šį atvejį.

„Tai neištirta žemė. Tai man labai įdomu, nes mano kieme yra daug neutronų šaltinių “, – sakė Broussardas, turėdamas omenyje„ Spallation Neutron Source “ir„ High Flux Isotope Reactor “, DOE mokslo įstaigos ORNL naudotojo įstaigą.

Norėdami patikrinti šią teoriją, Broussardas analizuoja eksperimentinius duomenis, imituojančius spindulio gyvenimo eksperimentus. Bet sureguliuotas taip, kad užfiksuotų galimo nematomo neutronų partnerio signalą. Šaudydama neutronų pluoštą per tam tikrą magnetinį lauką ir sustabdydama jį medžiaga, sustabdanti normalius neutronus, ji ir jos kolegos turėtų sugebėti nustatyti, ar neutronas atsispindi.

Nepaisant šio eksperimento rezultatų, tęsiamas darbas siekiant suprasti neutronų gyvenimo trukmę: „Gerai sakoma, kad buvo daug pastangų tiksliai išmatuoti neutronų gyvenimą. Tai pasakoja jums mokslininkų emocines reakcijas į šios srities neatitikimus – „Aš noriu tai ištirti!“ – sako Broussardas. – Kiekvieną mokslininką motyvuoja noras išmokti tą norą. Supras “

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naujos biologiškai įkvėptų, šviesą sugeriančių nanomedžiagų klasės sintezė

POSS-peptoido molekulės savaime susirenka į romboidinius nanokristalus. Paskola Stephanie King iliustracija Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija Gamtos įkvėpti Ramiojo vandenyno šiaurės...

Naujos priemonės, reikalingos augalų ligų prevencijai

Žiūrėkite užkrėstą kraują, kuris gali padėti apsaugoti maistą. Medžių ligos nesibaigia prie tautos sienų, o mylios vandenynų taip pat nesustabdo jų plitimo. Štai kodėl,...

Omega-3 derinimas su liaudies papildais gali pakenkti širdžiai

Gydytojai dažnai rekomenduoja omega-3, kurie padeda pacientams sumažinti cholesterolio kiekį ir pagerinti širdies sveikatą. Šie omega-3 gali būti iš riebių žuvų, tokių kaip...

Paviršių poveikis ploniems atominiams puslaidininkiams

Naudodami ultravioletinius spindulius, tyrėjai ištyrė 2-D puslaidininkių (violetinių) elektronines charakteristikas, nes duomenų žemėlapyje padidėja substrato sluoksnių (žalių) skaičius. Raudonas apskritimas žymi elektronines savybes, kurios...

Norėdami pagreitinti atradimą, didelio matmens infraraudonųjų spindulių mikroskopija išeina iš tinklelio

Plytelių rašto, naudojamo skenuoti C. elegans apvalųjį kirminą, pavyzdys. Netinklinis modelis suteikia atrankos algoritmui didesnį lankstumą greitai panaudojant dominančias sritis. Autoriai: Elizabeth...

Newsletter

Subscribe to stay updated.