Jak může skutečně studená koupel pomoci odhalit záhady vesmíru

Nový „vanový“ experiment umožnil fyzikům měřit životnost volného neutronu mnohem přesněji než kdy předtím. Průlom by mohl pomoci prozkoumat okraje Standardního modelu částicové fyziky, stejně jako záhady, jako je temná hmota a raná stádia vesmíru.

Neutrony se většinou nacházejí v jádrech atomů, ale mohou být také produkovány samy o sobě prostřednictvím procesů, jako jsou jaderné reakce nebo interakce kosmického záření s atomy v atmosféře. Tyto „volné neutrony“ jsou nestabilní a rozpadají se na proton, elektron a antineutrino – ale jak dlouho přesně tento proces trvá, je sporné.

Fyzici měří průměrnou životnost volných neutronů pomocí jedné ze dvou hlavních metod – „láhve“ nebo „paprsku“. První z nich zahrnuje vložení volných neutronů do přístroje podobného láhvi, čekání určitou dobu a poté sčítání, kolik jich zbývá. Ten zahrnuje generování paprsku neutronů a poté počítání, kolik protonů vzniká při rozpadu neutronů. Je frustrující, že tyto dvě techniky konzistentně nabízejí různé hodnoty – neutrony v láhvi žijí v průměru asi 14 minut a 39 sekund, ve srovnání se 14 minutami a 48 sekundami pro paprskové neutrony.

Devět sekund nemusí znít jako zásadní nesrovnalost, ale má obrovské důsledky pro řadu důležitých výpočtů ve fyzice. Ještě podivnější je, že rozdíl se pouze prohloubil, protože každá metoda se stává přesnější a mezi jejich rozsahy se nepřekrývají. To by mohlo naznačovat, že jedna technika dělá něco špatně, vědci přeceňují svou jistotu – nebo že do toho zasahuje neznámá fyzika.

„Proces, při kterém se neutron ‚rozpadá‘ na proton – s emisí lehkého elektronu a téměř bezhmotného neutrina – je jedním z nejvíce fascinujících procesů, které fyzikové znají,“ říká Daniel Salvat, vedoucí výzkumník studie. „Snaha změřit tuto hodnotu velmi přesně je významná, protože pochopení přesné doby života neutronu může vrhnout světlo na to, jak se vesmír vyvíjel – a také umožnit fyzikům objevit nedostatky v našem modelu subatomárního vesmíru, o kterých víme, že existují, ale nikdo je dosud nepoznal. přesto dokázal najít.“

Vědci nyní tvrdí, že měřili životnost volného neutronu přesněji než kdykoli předtím. V Los Alamos National Laboratory tým připravil experiment nazvaný UCNtau, což je variace na metodu láhve, kterou nazývají „vana“.

Neutrony jsou ochlazeny téměř na absolutní nulu – UCN je zkratka pro „Ultracold Neutrons“ – a poté umístěny do přístroje, který je levituje s tisíci magnetů. Po 30 až 90 minutách vědci spočítají přežívající neutrony, aby vypočítali jejich průměrnou životnost. Pomocí této metody tým napočítal kolem 40 milionů neutronů během dvou let, aby nakonec dosáhl jejich hodnoty.

Podle nové studie je průměrná životnost volného neutronu 14 minut a 37,75 sekund. Vědci tvrdí, že to naměřili s více než dvojnásobnou přesností než předchozí měření, čímž se nejistota snížila na pouhých 0,039 procenta.

Tým tvrdí, že přesnější pochopení tohoto čísla může poskytnout informace o velkém množství důležitých otázek v kosmologii a fyzice, jako je například to, jak vznikla první atomová jádra a relativní množství prvků vytvořených v raném vesmíru. Existuje dokonce šance, že se neutrony rozpadnou na temnou hmotu, což by mohlo vysvětlit nesrovnalost mezi měřením láhve a paprsku.

Výzkum byl publikován v časopise Dopisy fyzické revize.

Zdroj: American Physical Society via Phys.org