Физики объявляют о самом точном в мире измерении времени жизни нейтронов
Внутри атомов обычно очень много частиц, называемых нейтронами. Они остаются на миллиарды лет и дольше внутри некоторых атомов, составляющих материю нашей Вселенной. Но когда нейтроны свободны и плавают в одиночестве вне атома, они начинают распадаться на протоны и другие частицы. Их жизнь коротка, всего около 15 минут.
Физики потратили десятилетия, пытаясь измерить точное время жизни нейтрона, используя два метода: один с использованием бутылок, а другой – пучками. Но результаты двух методов не совпадают: они отличаются примерно на 9 секунд, что важно для частицы, которая живет всего около 15 минут.
Высокоэффективный детектор ультрахолодных нейтронов, используемый в ловушке «ванна». Предоставлено: Национальная лаборатория Лос-Аламоса / Майкл Пирс.
Теперь в новом исследовании, опубликованном в журнале Письма с физическими проверками, группа ученых провела самое точное измерение времени жизни нейтрона, используя бутылочную технику. Эксперимент, известный как UCNtau (для сверххолодных нейтронов tau, где tau означает время жизни нейтрона), показал, что нейтрон живет 14,629 минут с погрешностью 0,005 минут. Это в два раза точнее, чем предыдущие измерения, выполненные любым из этих методов. Хотя результаты не решают загадки разногласий между бутылочным и лучевым методами, они приближают ученых к ответу.
«Этот новый результат представляет собой независимую оценку, помогающую решить загадку времени жизни нейтрона», – говорит Брэд Филиппоун, профессор физики Фрэнсиса Л. Мозли и соавтор нового исследования. Он объясняет, что методы продолжают расходиться, потому что либо один из методов ошибочен, либо потому, что в физике происходит что-то новое, что еще предстоит понять.
«В сочетании с другими прецизионными измерениями этот результат может предоставить столь разыскиваемое свидетельство открытия новой физики», – говорит он.
Результаты также могут помочь решить другие давние загадки, например, как материя в нашей молодой Вселенной впервые образовалась из горячего супа из нейтронов и других частиц. «Если мы точно знаем время жизни нейтрона, это может помочь объяснить, как атомные ядра образовались в первые минуты существования Вселенной», – говорит Филиппоне.
Слепые тесты
В 2017 и 2018 годах команда UCNtau провела два эксперимента с бутылками в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). В бутылочном методе свободные нейтроны улавливаются в ультрахолодной намагниченной бутылке размером с ванну, где они начинают распадаться на протоны. Используя сложные методы анализа данных, исследователи могут подсчитать, сколько нейтронов осталось в течение долгого времени. (В методе пучка пучок нейтронов распадается на протоны, и протоны считаются, а не нейтроны.)
За время экспериментов коллаборация UCNtau насчитала 40 миллионов нейтронов.
Чтобы устранить любые возможные предубеждения в измерениях, вызванные сознательным или бессознательным искажением результатов исследователями, чтобы они соответствовали ожидаемым результатам, участники сотрудничества разделились на три группы, которые работали вслепую. Одну команду возглавлял Калифорнийский технологический институт, другой – Университет Индианы, а еще одну – ЛАНЛ. Каждой команде выдали поддельные часы, чтобы исследователи не знали, сколько времени прошло.
«Мы намеренно сделали наши часы немного отклоненными на величину, о которой кто-то знал, но затем держали в секрете до конца эксперимента», – говорит соавтор Эрик Фрайс (доктор философии ’22), который возглавлял команду Калифорнийского технологического института и выполнил исследования в рамках его докторской степени. Тезис.
«Это делает эксперимент более надежным, потому что нет никаких шансов сознательной или бессознательной предвзятости при подборе результатов, чтобы они соответствовали ожидаемому времени жизни нейтрона», – добавляет Филиппоне. «Таким образом, мы не знаем фактического срока службы до тех пор, пока не исправим это в самом конце во время« снятия ослепления »».
Захват быстрых нейтронов
По словам Филиппоне, одна из проблем в изучении паразитных нейтронов заключается в том, что они могут легко связываться с атомами. Он отмечает, что атомные ядра в экспериментальном аппарате могут легко «съедать нейтроны, как Pac-Man». В результате исследователям пришлось создать в камере очень плотный вакуум, чтобы не допустить попадания нежелательных газов.
Им также пришлось резко замедлить нейтроны, чтобы они могли быть захвачены магнитными полями и подсчитаны.
«Мы должны охладить эти нейтроны на различных этапах», – говорит Филиппоне. «Ключевой шаг в конце – заставить нейтроны взаимодействовать с твердым замороженным куском дейтерия. [a heavier version of hydrogen] размером с праздничный торт, из-за которого нейтроны теряют энергию ».
После проведения экспериментов и сбора данных каждая из трех команд использовала разные подходы для анализа данных. Фрис и команда Калифорнийского технологического института использовали методы машинного обучения, чтобы подсчитать нейтроны. «Сложность состоит в том, чтобы взглянуть на отдельные точки данных и сказать: да, это на самом деле нейтрон», – говорит Фрайс.
Когда все три команды раскрыли свои результаты, они пришли к удивительному уровню согласия. «Мы все по-разному обрабатывали данные, но пришли к почти одинаковому ответу, с разницей, которая была меньше общей статистической ошибки», – говорит Фрайс.
В конце концов, время жизни нейтрона было рассчитано с точностью лучше 400 частей на миллион, что сделало это наиболее точным результатом. Будущие эксперименты продолжаются, чтобы помочь в дальнейшем уточнении измерений, сделанных с использованием метода пучка, и в конечном итоге определить, являются ли систематические ошибки или новая физика причиной тайны времени жизни нейтрона.
Документ озаглавлен «Улучшенное измерение времени жизни нейтрона с помощью UCNtau».
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
