06 декември 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Най-прецизното досега измерване на продължителността на живота на неутрона

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 14 октомври 2021 в 00:01 72830

Сега се знае с точност до една десета от процента колко дълго един неутрон може да оцелее извън атомното ядро, преди да се разпадне в протон.

Международен екип от изследователи обяви най-прецизното измерване на продължителността на живота на неутрона в света, което може да помогне за отговорите на въпросите за ранната Вселена. 

Екипът, който обхваща учени от над 10 национални лаборатории и университети в САЩ и от други страни, представи резултати повече от двойно по-добри спрямо предишните измервания - с несигурност по-малка от една десета от процента.

Работата е докладвана в броя от 13 октомври на списание Physical Review Letters. Резултатът е и обект на брифинг на есенната среща на Американското физическо общество по ядрена физика през 2021 г.

"Процесът, при който неутрон "се разпада" в протон - с излъчване на лек електрон и почти безмасово неутрино - е един от най-завладяващите процеси, познати на физиците", коментира ядреният физик Даниел Салват (Daniel Salvat) от Университета на Индиана Блумингтън.

"Опитът да се измери тази стойност много точно е важно, защото разбирането на точната продължителност на живот на неутрона може да хвърли светлина върху начина на развитие на Вселената - както и да позволи на физиците да открият недостатъци в нашия модел на субатомната вселена, за които знаем, че съществуват, но никой все още не е успял да намери".

Експериментът

Изследването е проведено в Националния научен център в Лос Аламос, където е създаден специален експеримент само за измерването на продължителността на живота на неутроните. Нарича се проект UCNtau и включва ултра студени неутрони (UCN), съхранявани в магнитогравитационен капан.

Неутроните се охлаждат почти до абсолютна нула и се поставят в капана, камера с форма на купа, облицована с хиляди постоянни магнити, които карат неутроните да левитират вътре във вакуумната обвивка.

Магнитното поле предотвратява деполяризацията на неутроните и в комбинация с гравитацията предпазва неутроните да избягат. Този дизайн на експеримента позволява на неутроните да се съхраняват до 11 дни.

Изследователите съхраняват неутроните си в капана на UCNtau за 30 до 90 минути, след което преброяват останалите частици след определеното време. В хода на многократни експерименти, проведени между 2017 и 2019 г., те преброяват над 40 милиона неутрона и така получават достатъчно статистически данни, за да определят продължителността на живота на частиците с най-голямата точност досега.

Тази продължителност на живота е около 877,75 ± 0,28 секунди (14 минути и 38 секунди) според анализа на изследователите.

Високоефективният ултрахладен детектор на неутрони, използван в капана „вана“. Кредит:  Los Alamos National Lab / Michael Pierce

Парадоксът на периода на полуразпад на неутрона

Една от най-разпространените частици във Вселената - неутронът - се разпада, показвайки големи несъответствия на периода си на полуразпад, които озадачават учените.

На този интересен парадокс ни обръща внимание професорът по астрофизика Брайън Кобърлайн (Brian Koberlein) във блога си One Universe at a Time.

Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони. Ако неутроните са стабилни вътре в атомното ядро, свободните неутрони се разпадат на протон, електрон и антинеутрино (бета разпад).

Подобно на всички радиоактивни материали и свободните неутрони имат период на полуразпад, T½ - времето, за което половината от група неутрони ще се разпаднат.

Какво е времето на полуразпад на свободен неутрон?

Оказва се, че има два начина, по които можем да измерим периода на полуразпад на неутрон, но резултатите не съвпадат.

Първият метод е известен като метод на снопа (method a beam). При този метод сноп неутрони се изстрелва в магнитен протонен "капан". Тъй като неутроните се разпадат на протони и др. частици, преброяването на протоните, уловени от капана дава количеството колко неутрони са се разпаднали в даден момент. По този метод се получава период на полуразпад на неутрона между 886 и 890 секунди.

Вторият метод, който са използвали и в настоящото изследване, е известен като "метод на бутилката" (bottle method). При този експеримент свръхстудени неутрони са поставени в магнитна бутилка и се преброяват неутроните, останали след определен период от време. Полученият по този метод период на полуразпад на неутрона е между 878 и 879 секунди. Според съвременните възгледи на физиката и двата метода трябва да дават едни и същи резултати, но очевидно не е така.

И не се знае защо е така. Основната разлика между методите е, че при метода на снопа се броят продуктите на разпада (протони), докато при метода на бутилката се броят разпадналите се неутрони. Възможно е някои неутрони да са се разпаднали в нещо различно от протон, електрон и антинеутрино. Може би се разпадат в някаква частица тъмна материя, например. Друга възможност е изстудените неутрони в "бутилката" по някакъв начин да съкратят малко по времето на полуразпад в резултат на някаква все още неизвестна физика.

Но засега всичко, което знаем е, че тези два резултата не се съгласуват, и трябва да разберем защо.

В първите милисекунди

По-прецизното измерване може да помогне за поставяне на важни физически ограничения върху Вселената, включително образуването на материя и тъмна материя.

В първите моменти след Големия взрив горещата, свръхплътна материя, която е изпълвала Вселената, се охлажда в кварки и електрони, а само милионни части от секундата по-късно, кварките се обединяват в протони и неутрони.

Несъответствието в измерванията по двата метода е неприятно само по себе си, но то също така има сериозни последици за астрофизиката и космологията. Количеството водород и хелий в ранната Вселена зависи в голяма степен от броя на наличните неутрони и протони след Големия взрив. Разликата от 15 секунди в неутронния полуразпад ще има измеримо въздействие върху съотношението между ранните водород и хелий. 

Познаването на продължителността на живота на неутрона може да помогне на физиците да разберат каква роля, ако има такава, играят разпадащите се неутрони при формирането на загадъчната маса във Вселената, известна като тъмна материя. Тази информация също може да помогне за проверка на валидността на нещо, наречено матрицата на Cabibbo-Kobayashi-Maskawa , която помага да се обясни поведението на кварките според Стандартния модел на физиката, казват изследователите.

Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица, наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица).атоми ядра електрони кварки Схема: gravity.wikia


Градиентът  на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM:

атоми ядра електрони кварки

"Основният модел, обясняващ неутронен разпад, включва кварките, променящи своята идентичност, но наскоро подобрените изчисления показват, че този процес може да не се случи, както е предсказано по-рано ", смята Салват.

"Нашето ново измерване на живота на неутроните ще осигури независима оценка за разрешаване на този въпрос или ще даде много търсени доказателства за откриването на нова физика".

Справка: “Improved neutron lifetime measurement with UCNt” by F. M. Gonzalez, E. M. Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, L. J. Broussard, N. B. Callahan, J. H. Choi, S. M. Clayton, S. A. Currie, M. Dawid, E. B. Dees, B. W. Filippone, W. Fox, P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, K. P. Hickerson, M. A. Hoffbauer, K. Hoffman, A. T. Holley, T. M. Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, C. L. Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, R. W. Pattie Jr., J. Ramsey, D. J. Salvat, A. Saunders, E. I. Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei and A. R. Young, 13 October 2021, Physical Review Letters.
arXiv: 2106.10375

Източник: Physicists Capture The Most Precise Measurement Yet of a Neutron's Lifespan, ScienceАlert


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Какво е социална екология?
03 декември 2021 в 12:45
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.