Jak długo neutron może przetrwać poza jądrem atomowym, zanim rozpadnie się na proton i inne cząstki? W nowych badaniach międzynarodowy zespół naukowców dokonał najbardziej precyzyjnego jak dotąd pomiaru żywotności neutronów. Uzyskany wynik jest ponad dwukrotnie dokładniejszy od wcześniejszych pomiarów i wynosi 14 minut i niecałe 38 sekund.
Neutrony to cząstki subatomowe. W jądrze atomowym są zwykle stabilne i mogą utrzymywać się przez miliardy lat, tworząc materię we Wszechświecie. Ale swobodne neutrony, czyli takie, które występują poza jądrem atomowym, zaczynają rozpadać się na protony, elektrony i antyneutrino. Ich żywotność jest krótka, trwa tylko około 15 minut.
Fizycy od lat próbują zmierzyć dokładny czas życia swobodnego neutronu. W najnowszych badaniach uczonym udało się wykonać najdokładniejszy jak dotąd pomiar życia tych cząstek, co stanowi ponad dwukrotną poprawę w stosunku do poprzednich pomiarów. Ma to implikacje dla naszego zrozumienia, w jaki sposób pierwsza materia we Wszechświecie powstała z zupy protonów i neutronów w kilka minut po Wielkim Wybuchu. Opis badań czasu życia neutronu został przyjęty do publikacji się na łamach pisma „Physical Review Letters”, a obecnie można się z nim zapoznać w bazie pre-printów arXiv (arxiv.org/abs/2106.10375).
- Proces, w którym neutron rozpada się na proton - z emisją lekkiego elektronu i prawie bezmasowego neutrina – jest jednym z najbardziej fascynujących procesów znanych fizykom – powiedział Daniel Salvat z Indiana University Bloomington. - Wysiłek, aby bardzo precyzyjnie zmierzyć czas trwania tego procesu, jest znaczący, ponieważ zrozumienie dokładnego czasu życia neutronu może rzucić światło na rozwój Wszechświata, a także umożliwić fizykom odkrycie wad naszego modelu Wszechświata subatomowego, o którym wiemy, że istnieje, ale nikomu jeszcze nie udało się go znaleźć – dodał.
Nowe pomiary dokonano w Los Alamos National Science Center, gdzie prowadzony jest specjalny eksperyment, którego celem jest zmierzenie długości życia neutronów. Projekt ten nazywa się UCNtau (Ultra Cold Neutrons tau, gdzie tau oznacza czas życia neutronu) i obejmuje ultrazimne neutrony schładzane do temperatur zbliżonych do zera bezwzględnego. Wyniki eksperymentu pokazały, że średni czas rozpadu neutronu wynosi 877,75 sekundy (14 minut i 37,74 s) ± 0,28 sekundy. Dotychczasowe ustalenia mówiły o 885,7 sekundy.
Wyniki mają dwukrotnie większą precyzję od wcześniejszych pomiarów i są zgodne z obliczeniami teoretycznymi. Nie wyjaśniają jednak pewnej zagadki. Otóż czas życia neutronu można zmierzyć na dwa różne sposoby, a wyniki uzyskane w obu technikach różnią się o 9 sekund.
Do pomiarów długości życia neutronu stosuje się dwie techniki. Jedna z nich polega na schłodzeniu neutronów do bardzo niskich temperatur i umieszczeniu ich w metalowej konstrukcji zwanej „butelką”. Ten próżniowy pojemnik ma zamontowane magnesy wytwarzające pola magnetyczne, uniemożliwiające neutronom dotykanie powierzchni „butelki”, na której zostałyby utracone, a grawitacja zapobiega ich ucieczce z pojemnika. Następnie, po pewnym czasie, korzystając z zaawansowanych metod analizy danych, naukowcy liczą, ile neutronów pozostało w „butelce”.
Druga z metod polega na przeliczeniu protonów, czyli produktów rozpadu neutronów, w wiązce neutronów wyemitowanej przez jakieś źródło. Obie techniki dają rozbieżne wyniki różniące się o około 9 sekund, co jest znaczące w przypadku cząstki, która żyje tylko około 15 minut.
Jeszcze 15 lat temu wyniki tych dwóch typów eksperymentów w dużej mierze zgadzały się w granicach ich błędów. Ale gdy techniki stały się bardziej precyzyjne, zaczęły iść własnymi drogami. Z badań wydaje się, że neutrony emitowane w wiązkach żyją średnio dłużej. Uczeni sądzą, że albo jedna z metod jest błędna, albo dzieje się coś nowego w fizyce, co jeszcze nie zostało zrozumiane.
- Ten nowy wynik zapewnia niezależną ocenę, która pomaga rozwiązać zagadkę czasu życia neutronów – mówi Brad Filippone, współautor publikacji. - W połączeniu z innymi precyzyjnymi pomiarami, wynik naszych badań może dostarczyć bardzo poszukiwanych dowodów na odkrycie nowej fizyki. Kiedy poznamy dokładnie czas życia neutronów, może to pomóc wyjaśnić, w jaki sposób jądra atomowe powstały we wczesnych chwilach istnienia Wszechświata – mówi Filippone.
W toku powtarzanych eksperymentów, prowadzonych w latach 2017-2019, naukowcy zliczyli ponad 40 milionów neutronów, uzyskując wystarczającą ilość danych statystycznych, aby z największą precyzją określić długość życia cząstek.
Aby usunąć wszelkie możliwe błędy w pomiarach spowodowane przez badaczy, którzy świadomie lub nieświadomie naciągają wyniki analiz w celu dopasowania do oczekiwanych rezultatów, naukowcy podzielili się na trzy grupy, które pracowały niezależnie od siebie nie znając żadnych ruchów innych grup. Jeden zespół był kierowany przez naukowców z California Institute of Technology (Caltech), inny przez uczonych z Indiana University, a jeszcze inny przez badaczy z Los Alamos National Laboratory. Każdy zespół otrzymał zegar źle odmierzający czas, aby naukowcy nie wiedzieli, jaki pomiar uzyskali.
- Celowo przesunęliśmy nasze zegary o ilość, którą ktoś znał, ale utrzymywał to w tajemnicy do końca eksperymentu – mówi współautor badań Eric Fries, który kierował zespołem z Caltech.
- Taki ruch sprawił, że eksperyment jest bardziej wiarygodny, ponieważ nie ma szans na świadome lub nieświadome odchylenie w dopasowaniu wyników do oczekiwanego czasu życia neutronów – zaznacza Filippone i dodaje, że jednym z wyzwań w badaniach nad swobodnymi neutronami jest to, że mogą one łatwo wiązać się z atomami. W rezultacie naukowcy musieli wytworzyć w komorze bardzo szczelną próżnię, aby nie dopuścić do niepożądanych efektów. Musieli również radykalnie spowolnić neutrony, poprzez schłodzenie, aby mogły zostać uwięzione przez pola magnetyczne i policzone.
Po zakończeniu eksperymentów i zebraniu danych, każdy z trzech zespołów zastosował różne podejścia do ich analizy. Fries i zespół z Caltech wykorzystali metody uczenia maszynowego, aby pomóc zliczyć neutrony. - Trudne jest przyjrzenie się pojedynczym punktom danych i stwierdzenie, że tak, to w rzeczywistości jest neutron – tłumaczy Fries skorzystanie z pomocy sztucznej inteligencji.
Okazało się, że wynik wszystkich trzech zespołów okazał się podobny. - Wszyscy postępowaliśmy z danymi inaczej, ale otrzymaliśmy prawie taką samą odpowiedź, z różnicami, które były mniejsze niż ogólny błąd statystyczny – mówi Fries.
Ale eksperymenty nad dalszym udoskonaleniem pomiarów nadal trwają. Uczeni chcą też w końcu ustalić, czy za różnymi wynikami pomiarów w dwóch różnych metodach kryje się błąd czy nowa fizyka.
Źródło: Nature, California Institute of Technology, fot. Los Alamos National Lab / Michael Pierce. Na zdjęciu detektor ultrazimnych neutronów zwany „butelką”
