Ahli fizik menghadapi teka-teki seumur hidup neutron

Dari kiri, Matthew Frost dan Leah Broussard dari ORNL menggunakan alat penyerakan neutron di Sumber Neutron Spallation untuk mencari kembar jirim gelap kepada neutron. Kredit: Genevieve Martin/ORNL, Jabatan Tenaga AS

Untuk menyelesaikan teka-teki lama tentang berapa lama neutron boleh “hidup” di luar nukleus atom, ahli fizik melayan teori liar tetapi boleh diuji yang menyatakan kewujudan versi tangan kanan alam semesta kidal kita. Mereka mereka bentuk eksperimen yang membengkokkan minda di Makmal Kebangsaan Oak Ridge Jabatan Tenaga untuk cuba mengesan zarah yang telah dispekulasi tetapi tidak dikesan. Jika ditemui, “cermin neutron” yang berteori—kembar jirim gelap kepada neutron—boleh menjelaskan percanggahan antara jawapan daripada dua jenis eksperimen seumur hidup neutron dan memberikan pemerhatian pertama bagi jirim gelap.

“Materi gelap kekal sebagai salah satu soalan yang paling penting dan membingungkan dalam sains—bukti jelas yang kita tidak faham semua jirim dalam alam semula jadi,” kata Leah Broussard dari ORNL, yang mengetuai kajian yang diterbitkan dalam Surat Semakan Fizikal.

Neutron dan proton membentuk nukleus atom. Walau bagaimanapun, mereka juga boleh wujud di luar nukleus. Tahun lepas, menggunakan Pusat Sains Neutron Los Alamos, pengarang bersama Frank Gonzalez, kini di ORNL, mengetuai ukuran paling tepat yang pernah ada berapa lama neutron bebas hidup sebelum ia mereput, atau bertukar menjadi proton, elektron dan anti-neutrino. Jawapannya—877.8 saat, berikan atau ambil masa 0.3 saat, atau sedikit di bawah 15 minit—menunjukkan keretakan dalam Model Standard fizik zarah. Model itu menerangkan tingkah laku zarah subatomik, seperti tiga kuark yang membentuk neutron. Pembalikan kuark memulakan pereputan neutron menjadi proton.

“Hayat neutron ialah parameter penting dalam Model Standard kerana ia digunakan sebagai input untuk mengira matriks pencampuran kuark, yang menerangkan kadar pereputan kuark,” kata Gonzalez, yang mengira kebarangkalian neutron berayun untuk kajian ORNL. “Jika kuark tidak bercampur seperti yang kita harapkan, itu membayangkan fizik baharu di luar Model Standard.”

Untuk mengukur jangka hayat neutron bebas, saintis mengambil dua pendekatan yang sepatutnya mendapat jawapan yang sama. Seseorang memerangkap neutron dalam botol magnet dan mengira kehilangannya. Yang lain mengira proton yang muncul dalam rasuk sebagai neutron mereput. Ternyata neutron kelihatan hidup sembilan saat lebih lama dalam rasuk berbanding dalam botol.

Ahli fizik menghadapi teka-teki seumur hidup neutron

Leah Broussard dari Makmal Kebangsaan Oak Ridge menunjukkan “dinding” yang menyerap neutron yang menghalang semua neutron tetapi secara teori akan membenarkan neutron cermin hipotesis melaluinya. Kredit: Genevieve Martin/ORNL, Jabatan Tenaga AS

Selama bertahun-tahun, ahli fizik yang bingung telah mempertimbangkan banyak sebab untuk percanggahan itu. Satu teori ialah neutron berubah dari satu keadaan ke keadaan lain dan kembali semula. “Ayunan adalah fenomena mekanikal kuantum, ” kata Broussard. “Jika neutron boleh wujud sama ada sebagai neutron biasa atau cermin, maka anda boleh mendapatkan ayunan seperti ini, goyang bolak-balik antara kedua-dua keadaan, selagi peralihan itu tidak dilarang.”

Pasukan yang diketuai ORNL melakukan pencarian pertama untuk neutron yang berayun masuk jirim gelap neutron cermin menggunakan teknik kehilangan dan penjanaan semula baru. Neutron telah dibuat di Sumber Neutron Spallation, kemudahan pengguna Pejabat JAS Sains. Pancaran neutron dipandu ke pemantul kemagnetan SNS. Michael Fitzsimmons, seorang ahli fizik dengan pelantikan bersama di ORNL dan Universiti Tennessee, Knoxville, menggunakan instrumen itu untuk menggunakan medan magnet yang kuat untuk meningkatkan ayunan antara keadaan neutron. Kemudian rasuk itu terkena pada “dinding” yang diperbuat daripada boron karbida, yang merupakan penyerap neutron yang kuat.

Jika neutron sebenarnya berayun antara keadaan biasa dan cermin, apabila keadaan neutron mencecah dinding, ia akan berinteraksi dengan nukleus atom dan diserap ke dalam dinding. Jika ia berada dalam keadaan neutron cermin berteorinya, bagaimanapun, ia adalah jirim gelap yang tidak akan berinteraksi.

Jadi hanya neutron cermin akan menembusi dinding ke sisi lain. Ia seolah-olah neutron telah melalui “portal” ke beberapa sektor gelap-konsep kiasan yang digunakan dalam komuniti fizik. Namun, akhbar yang melaporkan kerja berkaitan masa lalu berasa seronok mengambil kebebasan dengan konsep itu, membandingkan alam semesta cermin berteori pasukan Broussard sedang menerokai realiti alternatif “Terbalik” dalam siri TV “Stranger Things.” Eksperimen pasukan itu tidak meneroka portal literal kepada alam semesta selari.

“Dinamik adalah sama di sisi lain dinding, di mana kami cuba mendorong apa yang mungkin neutron cermin – keadaan kembar jirim gelap – untuk kembali menjadi neutron biasa, ” kata pengarang bersama Yuri Kamyshkov, ahli fizik UT yang bersama rakan sekerja telah lama mengejar idea ayunan neutron dan neutron cermin. “Jika kita melihat mana-mana neutron yang dijana semula, itu boleh menjadi isyarat bahawa kita telah melihat sesuatu yang sangat eksotik. Penemuan sifat zarah bahan gelap akan mempunyai implikasi yang luar biasa.”






Kredit: ORNL

Matthew Frost dari ORNL, yang menerima ijazah kedoktorannya daripada UT bekerja dengan Kamyshkov, melakukan eksperimen dengan Broussard dan membantu dengan pengekstrakan, pengurangan dan analisis data. Frost dan Broussard melakukan ujian awal dengan bantuan daripada Lisa DeBeer-Schmitt, seorang saintis penyerakan neutron di ORNL.

Lawrence Heilbronn, seorang jurutera nuklear di UT, mencirikan latar belakang, manakala Erik Iverson, seorang ahli fizik di ORNL, mencirikan isyarat neutron. Melalui Program Latihan Makmal Sarjana Muda Sains Pejabat DOE, Michael Kline dari The Ohio State University mengetahui cara mengira ayunan menggunakan unit pemprosesan grafik—pemecut jenis pengiraan tertentu dalam kod aplikasi—dan melakukan analisis bebas keamatan rasuk neutron dan statistik , dan Taylor Dennis dari East Tennessee State University membantu menyediakan percubaan dan menganalisis data latar belakang, menjadi finalis dalam pertandingan untuk kerja ini. Pelajar siswazah UT Josh Barrow, James Ternullo dan Shaun Vavra bersama siswazah Adam Johnston, Peter Lewis dan Christopher Matteson menyumbang pada pelbagai peringkat penyediaan dan analisis eksperimen. Pelajar siswazah Universiti Chicago Louis Varriano, bekas Pembawa Obor UT, membantu dengan pengiraan kuantum-mekanikal konsep bagi penjanaan semula neutron cermin.

Kesimpulannya: Tiada bukti penjanaan semula neutron dilihat. “Seratus peratus daripada neutron berhenti; sifar peratus melepasi dinding, ” kata Broussard. Apapun, hasilnya tetap penting kepada kemajuan ilmu dalam bidang ini.

Dengan satu teori jirim cermin tertentu ditolak, saintis beralih kepada orang lain untuk cuba menyelesaikan teka-teki seumur hidup neutron. “Kami akan terus mencari sebab percanggahan itu,” kata Broussard. Dia dan rakan sekerja akan menggunakan High Flux Isotope Reactor, kemudahan pengguna Pejabat Sains DOE di ORNL, untuk itu. Peningkatan yang berterusan di HFIR akan membolehkan carian yang lebih sensitif kerana reaktor akan menghasilkan fluks neutron yang lebih tinggi, dan pengesan terlindung pada difraktometer serakan neutron sudut kecilnya mempunyai latar belakang yang lebih rendah.

Kerana percubaan yang ketat tidak menemui bukti neutron cermin, ahli fizik dapat menolak teori yang dibuat-buat. Dan itu membawa mereka lebih dekat untuk menyelesaikan teka-teki.

Jika ia kelihatan sedih bahawa neutron teka-teki seumur hidup masih belum dapat diselesaikan, ambil ketenangan daripada Broussard: “Fizik adalah sukar kerana kami telah melakukan kerja yang terlalu baik. Hanya masalah yang sangat sukar—dan penemuan bertuah—yang tinggal.”


Memahami alam semesta awal bergantung pada anggaran jangka hayat neutron


Maklumat lanjut:
LJ Broussard et al, Carian Eksperimen untuk Neutron untuk Mencerminkan Ayunan Neutron sebagai Penjelasan tentang Anomali Sepanjang Hayat Neutron, Surat Semakan Fizikal (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.212503

Petikan: Ahli fizik menghadapi teka-teki seumur hidup neutron (2022, 28 Jun) yang diperoleh pada 28 Jun 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We want to thank the writer of this write-up for this remarkable web content

Ahli fizik menghadapi teka-teki seumur hidup neutron


You can find our social media profiles as well as other related pageshttps://paw6.info/related-pages/