Ang mga Nuclear Physicist ay Nagtatrabaho upang Malutas ang Kakaibang Misteryo ng Neutron’s Lifespan

Siyam na segundo. Ang kawalang-hanggan sa ilang mga pang-agham na eksperimento; isang hindi maisip na halaga sa grand scheme ng uniberso. At sapat na ang haba upang lituhin ang mga physicist ng nukleyar na pinag-aaralan ang habang-buhay ng neutron.

Ang neutron ay isa sa mga bloke ng bagay, ang walang kapantay na katapat ng positibong proton. Tulad ng maraming iba pang mga subatomic particle, ang mga neutron ay hindi magtatagal sa labas ng nucleus. Sa halos 15 minuto, naghiwalay ito sa isang proton, isang elektron, at isang maliit na maliit na butil na tinatawag na isang anti-neutrino.

Gayunpaman, kung gaano katagal bago masira ang neutron ay nag-aalok ng ilang misteryo. Sinusukat ito ng isang pamamaraan bilang 887.7 segundo plus o minus 2.2 segundo. Sinusukat ito ng isa pang pamamaraan bilang 878.5 segundo plus o minus 0.8 segundo. Sa una, ang pagkakaiba na ito ay tila isang bagay ng kawastuhan ng pagsukat. Maaari lang mangyari ito. Ngunit habang patuloy na nag-eeksperimento ang mga siyentipiko nang mas tumpak kaysa dati upang suriin ang mga potensyal na problema, mananatili ang pagkakaiba.

Matthew Frost at Leah Broussard

Mula sa kaliwa, ang kawani ng ORNL na sina Matthew Frost at Leah Broussard ay nagtatrabaho sa Magnetism Reflectometer sa Spallation Neutron Source, na ginagamit upang maghanap ng mga neutron ng salamin. Credit sa Larawan: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos

Ang pagpipilit na ito ay humahantong sa posibilidad na ang pagkakaiba ay tumuturo sa ilang uri ng hindi kilalang pisika. Maaari itong ihayag ang isang hindi kilalang proseso sa pagkabulok ng neutron. O maaari itong ituro sa agham na lampas sa Pamantayang Modelo na kasalukuyang ginagamit ng mga siyentista upang ipaliwanag ang lahat ng pisika ng maliit na butil. Mayroong isang bilang ng mga phenomena na ang Standard Model ay hindi buong ipinaliwanag, at ang pagkakaiba na ito ay maaaring ipakita ang paraan upang sagutin ang mga katanungang ito.

Upang malutas ang kakatwang hindi pagkakapantay-pantay na ito, nakikipagtulungan ang Kagawaran ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya (DOE) sa iba pang mga ahensya ng pederal, mga pambansang laboratoryo, at unibersidad upang paikliin ang haba ng buhay ng neutron.

Pangunahing Halaga

Ang mga nuklear na pisiko ay nagsimulang pag-aralan ang buhay ng neutron dahil sa pangunahing papel nito sa pisika. “Mayroong ilang mga pangunahing dami sa likas na likas na tila mahalaga,” sabi ni Geoff Greene, propesor at pisiko sa University of Tennessee sa Oak Ridge National Laboratory ng DOE. Pinag-aaralan niya ang buhay neutron sa halos lahat ng kanyang buhay – mga 40 taon. “Ang mga teorya ay darating at pupunta, ngunit ang neutron life ay nananatiling isang sentral na parameter sa iba’t ibang mga bagay.”

Ang neutron ay isang kapaki-pakinabang na gabay sa pag-unawa sa iba pang mga particle. Ito ang pinakasimpleng maliit na butil na radioactive, na nangangahulugang regular itong nahahati sa iba pang mga particle. Samakatuwid, nagbibigay ito ng maraming impormasyon tungkol sa mahinang puwersa, ang puwersang tumutukoy kung ang mga neutron ay nagiging proton o hindi. Kadalasan beses, ang prosesong ito ay naglalabas ng enerhiya at nagiging sanhi ng pagkasira ng nuclei. Ang mga pakikipag-ugnayan ng mahinang puwersa ay may mahalagang papel din sa pagsasanib ng nukleyar kung saan ang dalawang proton ay nagtatagpo.

Ang buhay ng neutron ay maaari ring magbigay ng pananaw sa kung ano ang nangyayari kaagad pagkatapos ng kaganapan. Big Bang. Ilang segundo matapos mabuo ang mga proton at neutron, ngunit bago sumali sa mga elemento, mayroong isang tumpak na tiyempo. Mabilis na naglamig ang sansinukob. Sa isang tiyak na punto, napalamig nito nang labis na ang mga proton at neutron ay nagsasama halos halos agarang bumuo ng helium at hydrogen. Kung ang mga neutron ay nabubulok sa mga proton nang medyo mas mabilis o mas mabagal, magkakaroon sila ng malaking epekto sa prosesong ito. Magkakaroon ng ibang-iba na balanse ng mga elemento sa sansinukob; marahil ay hindi buhay.

“Isa ito sa mga hindi sinasadyang natural na aksidente na mayroon kaming mga elemento ng kemikal,” sabi ni Greene. Nais ng mga siyentista na magkaroon ng isang solidong numero upang maiugnay ang haba ng buhay ng neutron sa mga equation na ito. Kailangan nila ang kawalan ng katiyakan sa haba ng buhay nang mas mababa sa isang segundo. Ngunit ang pagkamit ng katiyakan na ito ay mas mahirap kaysa sa una na tila. “Ang buhay Neutron ay isa sa hindi gaanong kilalang pangunahing mga parameter sa Pamantayang Model,” sabi ni Zhaowen Tang, isang pisiko sa Los Alamos National Laboratory (LANL) ng DOE.

Indibidwal na mga eksperimento na pinamamahalaang upang makamit ang antas ng katumpakan na ito. Ngunit ang pagkakaiba sa pagitan ng iba’t ibang uri ng mga eksperimento ay pumipigil sa mga siyentipiko mula sa pagpapako ng isang tiyak na bilang.

Pagtuklas ng isang Hindi Pagkakapare-pareho

Upang ihayag ang isang pagkakaiba na lumilitaw mula sa pagnanais ng mga physicist na maging komprehensibo. Ang paggamit ng dalawa o higit pang mga pamamaraan upang masukat ang parehong dami ay ang pinakamahusay na paraan upang matiyak ang isang tumpak na pagsukat. Ngunit hindi mailalagay ng mga siyentista ang mga timer sa mga neutron upang makita kung gaano kabilis ang kanilang pagkasira. Sa halip, nakakita sila ng mga paraan upang masukat ang mga neutron bago at pagkatapos ng pagkabulok upang makalkula ang kanilang habang-buhay.

Gumagamit ang mga eksperimento sa ray ng mga machine na bumubuo ng mga neutron stream. Sinusukat ng mga siyentista ang bilang ng mga neutron sa isang naibigay na dami ng sinag. Pagkatapos ay ipinapasa nila ang daloy sa pamamagitan ng isang magnetic field sa isang maliit na butil na nilikha ng electric at magnetic field. Ang mga neutron ay nasisira sa bitag kung saan sinukat ng mga siyentista ang bilang ng mga natitirang proton.

“Ang eksperimento sa sinag ay talagang mahirap na paraan upang makagawa ng tumpak na pagsukat,” sabi ni Shannon Hoogerheide, isang pisiko sa National Institute of Standards and Technology (NIST), na nakipagtulungan sa mga siyentipiko ng DOE. “Ang pagsukat ng ray ay hindi nangangailangan ng isa, ngunit dalawang ganap na pagsukat.”

Sa kaibahan, ang mga eksperimento sa flask ay nagpapanatili ng mga ultra-cold neutron sa isang lalagyan. Ang sobrang malamig na mga neutron ay gumagalaw nang mas mabagal kaysa sa normal na mga neutron – ilang metro bawat segundo kumpara sa 10 milyong metro bawat segundo sanhi ng mga reaksyon ng fission. Sinusulit ng mga siyentista kung ilang neutrons ang nasa lalagyan nang una at pagkatapos ng isang tiyak na oras. Sa pamamagitan ng pagsusuri sa pagkakaiba, makakalkula nila kung gaano kabilis mabulok ang neutron.

“Sinusukat ng eksperimento sa bote ang mga nakaligtas, sinusukat ng eksperimento sa ray ang mga namatay,” sabi ni Greene. “Ang eksperimento sa bote ay parang madali, ngunit talagang napakahirap. Ang eksperimento sa sinag, sa kabilang banda, ay tila mahirap at mahirap. “

Ang isang eksperimento sa ray (na may suporta mula sa DOE) na isinagawa sa NIST noong 2005 at isang eksperimento sa bote na isinagawa sa Pransya ang nagsiwalat ng pagkakaiba sa unang pagsukat. Simula noon, sinubukan ng mga eksperimento na bawasan ang agwat sa pagitan ng dalawa sa pamamagitan ng pagliit ng mas maraming kawalan ng katiyakan hangga’t maaari.

Si Greene at ang kanyang mga kasamahan ay nakatanggap ng mga bagong sukat sa NIST noong 2013 na tumulong sa kanila na muling kalkulahin ang eksperimento sa sinag noong 2005 nang mas tumpak. Sa puntong ito, nakumpleto ng mga siyentista ang eksperimento ng limang bote at dalawang-ray. Kumbinsido si Greene na ang dating mga eksperimento sa sinag ay hindi napansin ang isa sa pinakamalaking mapagkukunan ng kawalan ng katiyakan – na tumpak niyang binibilang ang bilang ng mga neutron sa sinag. Pinagbuti nila ang pagsukat ng variable na ito upang gawin itong limang beses na mas tumpak. Ngunit walong taon ng pagsusumikap ang nag-iwan ng halos parehong agwat sa mga resulta.

Ang mga pisiko na nagtatrabaho sa mga eksperimento sa bote ay nahaharap sa kanilang sariling mga pakikibaka. Ang isa sa mga pinakamalaking hamon ay upang maiwasan ang mga neutron na mawala mula sa kanilang pakikipag-ugnay sa materyal na kung saan ginawa ang lalagyan. Ang isang pagtagas sa kalaunan ay binabago ang bilang ng neutron at walang bisa ang pagkalkula ng haba ng buhay.

Upang malutas ang problemang ito, ang pinakabagong eksperimento sa bote sa LANL (suportado ng Office of Science) ay tinanggal ang mga pisikal na pader. Sa halip, ang mga nukleyar na pisiko ay gumamit ng mga magnetikong larangan at gravity upang mapanatili ang mga neutron sa lugar. “Kung gagawin natin ito, makakakuha tayo ng isang neutron upang mabuhay ito nang mas matagal at tanggapin ang buhay ng sinag,” sabi ni Chen-Yu Liu, isang propesor sa Indiana University na nanguna sa eksperimento. Ito ang aking personal na bias.

Ngunit nanatili ang pagkakaiba. “Ito ay isang malaking pagkabigla para sa akin,” sinabi niya, na naglalarawan sa resulta na inilathala noong 2018. Ang posibilidad ng pagkakaiba na ito na nagmumula sa random na pagkakataon ay mas mababa sa 1 sa 10,000. Gayunpaman, maaaring sanhi pa rin ito ng isang kapintasan sa mga eksperimento.

Sinisiyasat ang sanhi ng Root

Ang mga siyentipiko ay nahaharap sa dalawang uri ng kawalan ng katiyakan o error sa mga eksperimento: statistic o sistematiko. Ang mga error sa istatistika ay sanhi ng kawalan ng sapat na data upang makagawa ng matatag na konklusyon. Kung nakakuha ka ng higit pang data, maaasahan mong bawasan ang mga error na ito. Ang sistematikong mga pagkakamali ang pangunahing hindi katiyakan na nauugnay sa eksperimento. Kadalasan malayo sila sa halata. Ang dalawang uri ng mga eksperimento sa panghabambuhay ng neuron ay may ibang-iba potensyal na sistematikong mga pagkakamali. Kung ang mga resulta ay tumugma, ang mga eksperimento ay suriing mabuti sa bawat isa. Ngunit ginagawang mahirap sa demonyo na maunawaan kung bakit hindi sila.

“Ang pinakamahirap na bahagi ng pagsukat ng habang-buhay ng neutron ay parehong masyadong maikli at masyadong mahaba,” sabi ni Hoogerheide. “Ang 15 minuto ay isang kakaibang oras upang sukatin sa pisika.”

Kaya’t ang mga siyentipikong nukleyar ay patuloy na nagtatrabaho upang mangolekta ng maraming data at mabawasan ang sistematikong mga pagkakamali.

“Isa sa mga bagay na nasisiyahan ako tungkol sa aking larangan ay ang mahusay na pansin sa detalye at kung gaano kalalim ang kailangan mong maunawaan ang bawat aspeto ng iyong eksperimento upang makagawa ng isang matibay na pagsukat,” sabi ni Leah Broussard, isang physicist ng nukleyar sa ORNL. .

Sa NIST, ang Hoogerheide, Greene, at iba pa ay nagsasagawa ng isang bagong eksperimento sa sinag na tumutugon sa bawat potensyal na problema nang malawakan hangga’t maaari. Sa kasamaang palad, ang bawat pag-tweak ay nakakaapekto sa iba, kaya’t dalawang hakbang pasulong at isang hakbang pabalik.

Ang iba pang mga pagsisikap ay naghahanap ng mga bagong paraan upang masukat ang habang buhay ng neutron. Ang mga mananaliksik na suportado ng DOE mula sa Johns Hopkins University at Durham University UK ay natuklasan kung paano gamitin ang data. NASA upang masukat ang neutron life. Ayon sa output ng neutron Venus at kinakalkula ng Mercury ang buhay na 780 segundo na may walang katiyakan na 130 segundo. Gayunpaman, dahil ang koleksyon ng data ay hindi idinisenyo para sa hangaring ito, ang kawalan ng katiyakan ay masyadong mataas upang malutas ang agwat sa buhay. Sa LANL, nagtatakda si Tang ng isang cross-eksperimento sa pagitan ng mga eksperimento sa bote at sinag. Sa paglaon ay susukat nito ang mga electron kaysa sa pagsukat ng mga proton.

Mga Kakaibang Posibilidad na Naghihintay

Mayroon ding posibilidad na ang pagkakaiba ay nagsisiwalat ng isang puwang sa aming kaalaman tungkol sa pangunahing maliit na maliit na butil.

“Hindi namin maiiwan ang isang bato na hindi nabago,” sabi ni Tang. “Maraming halimbawa ng mga taong nakakita ng isang bagay, gumawa ng mali, hindi gumana ng sapat dito, at may iba pa na nagawa nito at nagwagi ng Nobel Prize.”

Ang isang teorya ay ang neutron na nasisira sa paraang hindi namamalayan ng mga siyentista. Maaari itong hatiin sa iba’t ibang mga particle mula sa pamilyar na kumbinasyon ng mga proton, electron at anti-neutrino. Kung gayon, ipinapaliwanag nito kung bakit ang mga neutron ay nawawala sa mga eksperimento sa bote ngunit ang kaukulang bilang ng mga proton ay hindi lilitaw sa mga eksperimento sa sinag.

Ang iba pang mga ideya ay mas radikal pa. Iminungkahi ng ilang teorista na ang mga neutron ay nahahati sa gamma ray at mahiwagang madilim na bagay. Ang madilim na bagay ay binubuo ng 75 porsyento ng bagay sa uniberso, ngunit sa pagkakaalam natin nakikipag-ugnay ito sa normal na bagay sa pamamagitan lamang ng gravity. Upang masubukan ang teoryang ito, isang pangkat ng mga siyentista sa LANL ang gumawa ng isang bersyon ng eksperimento sa bote kung saan sinukat nila ang parehong mga neutron at gamma ray. Gayunpaman, ang mga iminungkahing ray ng gamma ay hindi naganap, at walang ebidensya na natira sa mga siyentista na mayroong madilim na bagay mula sa mga neutron.

Ang isyu sa salamin ay isa pang posibleng konsepto na mukhang science fiction. Sa teorya, ang “nawawalang” mga neutron ay maaaring ibahin sa mga neutron na salamin, mga perpektong replika na mayroon sa isang kalabang uniberso. Ang sansinukob na salamin na ito, na nag-iba nang iba sa atin, ay magiging mas malamig at mapangibabawan ng helium. Habang ang ilang mga siyentipikong nukleyar tulad ng Greene ay iniisip na ito ay “hindi makatuwiran”, ang iba ay interesado na subukan ito kung sakali.

Ito ay isang medyo hindi naka-chart na teritoryo. Napakahirap para sa akin dahil mayroon akong mahusay na mapagkukunan ng neutron sa aking likuran, “sinabi ni Broussard, na tumutukoy sa Spallation Neutron Source at High Flux Isotope Reactor, kapwa mga pasilidad ng gumagamit ng DOE Office of Science sa ORNL.

Upang masubukan ang teoryang ito, pinag-aaralan ni Broussard ang data mula sa isang eksperimento na gumagaya sa mga eksperimento sa buhay na sinag ngunit itinakda upang mahuli ang isang palatandaan ng potensyal na kasosyo ng neutron na hindi nakikita. Sa pamamagitan ng pagpapaputok ng isang neutron beam sa pamamagitan ng isang tukoy na magnetic field at pagkatapos ay ihihinto ito sa isang materyal na humihinto sa mga normal na neutron, dapat niya at ng kanyang mga kasamahan na makita kung mayroon bang mga mirror neutrons.

Anumang mga resulta na dalhin ng eksperimentong ito, magpapatuloy ang mga pag-aaral ng pag-unawa sa habang-buhay ng neutron. “Napakalalantad na maraming mga pagtatangka upang tumpak na masukat ang habang-buhay ng neutron. Sinasabi nito sa iyo ang tungkol sa emosyonal na reaksyon ng mga siyentista sa isang pagkakaiba sa larangan – ‘Gusto kong tuklasin ito!’ Sabi ni Broussard. “Ang bawat siyentista ay na-uudyok ng isang pagnanais na malaman, na maunawaan.”

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang paglulunsad ng NASA Walnops rocket ay makikita sa East America

Mapa ng visibility ng Kinnet-X. Kredito: NASA A. Mission upang tuklasin ang transportasyon sa kalawakan gamit ang enerhiya a NASA Ang rocket na tunog...

Bakit kaya mahirap magamot ang COVID-19? Isang Komprehensibong Pagsuri sa Alam Namin

Lumalagong Mga Punto ng Katibayan ng Hindi Karaniwang Nakakahawang Profile Isang komprehensibong pagsusuri ng alam namin COVID-19 at kung paano ito gumagana ay nagmumungkahi na...

Nakikita ng NASA ang mga alon sa ibabaw ng dagat [Video]

Ang mga alon sa loob, o mga papasok na alon, ay maaaring umabot ng daan-daang mga paa sa ibaba ng ibabaw ng karagatan, ngunit...

Mga Kamangha-manghang Dinosauro na Naghahanap ng Kadiliman

Muling pagbuo ng Shuvuuia deserti artist. Kredito: Viktor Radermaker Ang maliit na dinosauro na nakatira sa disyerto ng Shuvuuia ay may natatanging paningin at...

Ang “Molecular glue” ay nagdaragdag ng kahusayan at ginagawang mas maaasahan ang pereskite solar cells sa paglipas ng panahon

Ginamit ng mga mananaliksik ang self-assemble na solong-layer na "molekular na pandikit" upang patigasin ang mga interface sa pereskite solar cells upang gawing mas...

Newsletter

Subscribe to stay updated.