核物理学家努力揭开中子寿命的奇怪的谜团

中子插图

九秒钟。在一些科学实验中的永恒;在宇宙的盛大方案中令人难以想象的少量。而且足够长,可以将核物理学家困扰,研究中子的寿命。

中子是物质的基本组成部分之一,它是正质子的中性对应物。和许多其他亚原子粒子一样,中子在原子核外的存活时间不长。在大约15分钟的过程中,它分解成一个质子、一个电子和一个被称为反中微子的微小粒子。

但中子需要多长时间崩溃,呈现出一些谜。一种方法测量它为887.7秒,加上或减去2.2秒。另一种方法可衡量为878.5秒,加上0.8秒。首先,这种差异似乎是测量敏感性的问题。这可能就是这样。但由于科学家们继续执行一系列更精确的实验来评估可能的问题,但差异仍然存在。

马修弗罗斯特和莱哈布鲁斯萨德

从左侧,ORNL员工马修霜和Leh Broussard在散装中子源的磁反射仪上工作,用于搜索镜子中子。信用:Genevieve Martin / Oak Ridge国家实验室,美国部门

这种持久性导致差异指向某种类型的未知物理学的可能性。它可能在中子衰变中揭示一个未知的过程。或者它可以指向超出标准模型科学家的科学,目前用于解释所有粒子物理学。标准型号没有完全解释,这种差异可能指出了回答这些问题的方法。

为了弄清这一奇怪的差异,能源部(DOE)科学办公室正与其他联邦机构、国家实验室和大学合作,确定中子寿命的持续时间。

一个基本量

核物理学家首先开始研究中子寿命,因为它在物理学中的重要作用。“自然界中有一些基本的量似乎总是很重要的,”田纳西大学教授、能源部橡树岭国家实验室的物理学家Geoff Greene说。他一生中的大部分时间都在研究中子寿命——大约40年。“理论来来去去,但中子寿命似乎仍然是各种事物的中心参数。”

中子是理解其他颗粒的有用指南。它是放射性的最简单的粒子,这意味着它经常分解成其他颗粒。因此,它提供了很多洞察力的弱力,而不是确定中子是否变成质子的力。通常,该过程释放能量并导致细胞核分开。弱势的相互作用也在核融合中发挥着重要作用,其中两种质子结合。

中子寿命也可以提供在爆炸后不久发生的情况大爆炸。在质子和中子形成后的几秒钟内但在它们连接在一起之前,有一个精确的时序。宇宙迅速冷却。在某种程度上,它足够冷却,质子和中子几乎瞬间加入形成氦气和氢气。如果中子腐烂进入质子的速度稍微衰退或更慢,则对该过程产生巨大影响。宇宙中有一个非常不同的元素平衡;生活可能不存在。

“这是我们拥有化学元素的偶然事故之一,”Greene说。科学家们希望将中子寿命的牢固数字插入这些方程。他们需要寿命的不确定性降至不到一秒钟。但是,肯定的是最初似乎更加困难。“中子寿命是标准模型中最不知名的基本参数之一,”Doe的Los Alamos国家实验室(Lanl)的物理学家Zhaowen Tang说。

单独的实验已经能够达到这种精度水平。但是不同类型的实验之间的不一致性使得科学家们无法确定具体的数量。

发现差异

发现有一个有区别的物理学家们愿望全面。使用两种或更多种测量相同数量的方法是保证准确测量的最佳方法。但科学家不能让中子上的计时器看看他们分开有多速度。相反,他们发现在衰减之前和之后衡量中子以计算寿命的方法。

光束实验使用制造中子流的机器。科学家测量梁的特定体积中的中子数量。然后,它们通过磁场送流并进入由电磁场形成的粒子陷阱。中子在陷阱中腐烂,科学家们衡量了最终留下的质子的数量。

美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家香农·胡格海德(Shannon Hoogerheide)与美国能源部的科学家们合作说:“光束实验确实很难进行精确测量。”“光束测量需要的不是一次,而是两次绝对测量。”

相比之下,瓶子实验将超冷中子陷入容器中。超冷中子比常规速度较慢 - 每秒几米,与裂变反应的每秒1000万米。科学家衡量在一开始的一段时间后容器中的中子在容器中有多少。通过检查差异,它们可以计算中子腐烂的速度。

“瓶子实验衡量幸存者,梁实验衡量死亡,”格林说。“瓶子实验听起来很容易,但实际上很难。另一方面,光束实验听起来很艰难,很难。“

2005年NIST的光束实验(通过DOE的支持)和法国的瓶子实验首先揭示了测量差异。从那时起,实验已经尝试通过尽可能多的不确定性来减少两个之间的空间。

Greene和他的合作者在2013年在NIST上拍摄了新的测量,帮助他们更准确地重新计算2005年光束实验。到那时,科学家已经完成了五个瓶子和两个光束实验。Greene相信,之前的光束实验错过了最大的不确定性来源之一 - 精确地计算光束中的中子数量。它们改进了对该变量的测量,使其更准确地实现五倍。但八年的努力工作留下了几乎完全相同的结果。

在瓶子实验上工作的物理学家面临着自己的斗争。最大的挑战之一是将中子损失从容器制成的材料中的相互作用。泄漏将末端的中子数改变,并抛出寿命计算。

为了解决这个问题,LANL的最新瓶子实验(由科学办公室支持)消除了物理墙壁。相反,核物理学家使用磁场和重力将中子固定到位。“如果我们这样做,我就在营地,我们可能会让一个中子变得更长,同意光束寿命,”印第安纳大学教授陈宇刘刘刘·刘先生。“这是我个人的偏见。”

但差别仍然存在。“这对我来说是一个很大的震惊,”她说,描述了2018年发表的结果。从随机机会发生的差异的几率不到10,000人。但它仍然可能是由实验中的缺陷引起的。

狩猎根本原因

科学家在实验中面临两种类型的不确定性或错误:统计或系统。统计错误来自没有足够的数据来绘制固体结论。如果您可以获得更多数据,可以可靠地降低这些错误。系统误差是实验的基本不确定性。很多次,他们远未显而易见。两种类型的神经元寿命实验具有巨大不同的系统误差。如果结果匹配,实验将是彼此的重大检查。但它使它变得难以弄清楚他们没有的原因。

“关于测量中子寿命的最难的事情是它太短而且太长,”Hoogerheide说。“它已经掉了15分钟是物理学中的一个非常尴尬的时间。”

因此,核科学家正在继续努力收集更多数据并尽量减少系统错误。

“在我的研究领域中,我发现最有趣的一件事是对所需细节的高度关注,以及为了做出可靠的测量,你必须对实验的每个方面都有多么深入的理解,”ORNL的核物理学家利亚·布鲁萨德(Leah Broussard)说。

在NIST,Hoogerheide,Greene等,正在运行一个新的光束实验,以尽可能全面的方式浏览每个可能的问题。不幸的是,每个调整都会影响其他人,所以这是两步前进,一步回来。

其他努力正在研究衡量中子寿命的新方法。Johns Hopkins University的研究人员和U.K.的达勒姆大学由Doe讨论了如何使用数据美国国家航空航天局测量中子寿命。基于中子离开金星他们计算出水星的寿命为780秒,不确定性为130秒。但由于数据收集不是为此目的而设计的,因此不确定性太高,无法解决寿命差异。在LANL, Tang正在建立一个混合了瓶子和光束实验的实验。最后测量的不是质子,而是电子。

异国情调的可能性等待着

还有一种可能性是,这种差异揭示了我们对这种基本粒子的认识存在差距。

“我们不能留下任何石头,”唐说。“有很多人看到了一些东西的例子,只是把一些东西夹到了一个错误,不够努力工作,别人所做的,他们得到了诺贝尔奖。”

一种理论是,中子正在以一种科学家根本没有意识到的方式分解。它可能分解成不同的粒子,而不是我们熟悉的质子、电子和反中微子的组合。如果能,那就能解释为什么瓶子实验中的中子消失了,而相应数量的质子却没有出现在束流实验中。

其他想法更加激进。一些理论家建议中子分解成伽马射线和神秘的暗物质。暗物质占宇宙中的75%,据我们所知只通过重力互动。为了测试这个理论,Lanl的一群科学家们做了一款瓶子实验的版本,在那里他们测量了中子和伽马射线。但拟议的伽玛光线没有实现,让科学家们没有证据中子的暗物质。

镜像物质是另一个听起来像科幻小说的概念。理论上,“丢失的”中子可能会变成镜像中子,即存在于另一个宇宙中的完美副本。由于以与我们的宇宙不同的方式进化,这个镜像宇宙将更冷,并由氦主导。虽然格林等一些核科学家认为这是“不可信的”,但也有人对测试它感兴趣,只是以防万一。

“这是相对未开发的领域。这对我来说是非常引人注目的,因为我的后院有一个很好的中子来源,“布鲁斯萨德说,散发中子源和高通量同位素反应堆,两者都是ornl的Doe科学用户设施。

为了测试这个理论,Broussard正在分析来自模仿光束寿命实验的实验的数据,但调整以捕捉中子潜在的隐形伴侣的标志。通过射通过特定磁场的中子束,然后用阻止正常中子的材料停止,她和她的同事应该能够检测是否存在镜子中子。

无论实验结果如何,了解中子寿命的工作仍将继续。“这很说明问题,有这么多精确测量中子寿命的尝试。这告诉了你科学家们对这个领域的差异的情绪反应——“我想探索这个!””布鲁萨德说。“每个科学家的动力都来自于求知的渴望。”

2评论在“核物理学家努力揭开中子寿命的奇怪神秘”

  1. 我猜,这一规模的很多物理学都是基于猜测的。然而,量子理论一次又一次地证明了它。一些信息可能会丢失,但这是我们可能得到的最好的照片。在前段时间,有一个关于证明尺寸更高的实验,并且我认为使用重力。
    结果不是积极的。那么有两个反对意见>
    -引力本身有点奇怪,
    -就卡鲁扎-克莱因....而言,可以使用光
    现在,向你们大家致敬!

  2. 拉尔夫德拉特曼|2020年10月29日上午6:16|回复

    这么大的差异!你没有提到是否有理论计算可以准确地预测这一生。

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