أخذ الفيزيائيون القياس الأكثر دقة في العالم لأعمار النيوترونات

قام فريق دولي من الباحثين بأخذ القياس الأكثر دقة في العالم لعمر النيوترون ، والذي قد يساعد في الإجابة عن أسئلة حول الكون المبكر.

أعلن فريق دولي من علماء الفيزياء بقيادة باحثين في جامعة إنديانا في بلومنجتون ، عن القياس الأكثر دقة في العالم لعمر النيوترونات.

تمثل نتائج الفريق ، الذي يضم علماء من أكثر من 10 مختبرات وجامعات وطنية في الولايات المتحدة وخارجها ، أكثر من ضعف التحسن مقارنة بالقياسات السابقة – مع عدم التيقن من أقل من عُشر بالمائة.

تم نشر العمل في عدد 13 أكتوبر من المجلة خطابات الفحص البدني. كان أيضا موضوع أ إحاطة صحفية مباشرة في اجتماع الخريف التابع للجمعية الفيزيائية الأمريكية لقسم الفيزياء النووية.

قال ديفيد باكستر ، رئيس قسم في IU Bloomington College of Arts and Sciences: “يضع هذا العمل معيارًا ذهبيًا جديدًا لمقياس مهم بشكل أساسي لقضايا مثل الوفرة النسبية للعناصر التي تم إنشاؤها في الكون المبكر”. الفيزياء. “نحن فخورون بالدور الطويل الأمد للجامعة كمؤسسة رائدة في هذا العمل. “

كان المؤلفون المنتسبون إلى IU في وقت الدراسة من طلاب الدراسات العليا ناثان كالاهان وماريا داويد وفرانسيسكو غونزاليس. المهندس والت فوكس. أستاذ الفيزياء رودي تشين يو ليو ؛ الباحث دانيال سالفات. والفني الميكانيكي John Vanderwerp. (كالاهان وجونزاليس تابعان حاليًا لمختبر أرجون الوطني ومختبر أوك ريدج الوطني ، على التوالي). تم إجراء البحث في مختبر لوس ألاموس الوطني.

الهدف العلمي من التجربة هو قياس المدة التي يعيش فيها النيوترون الحر ، في المتوسط ​​، خارج حدود النوى الذرية.

قال سالفات ، الذي قاد التجارب في لوس ألاموس: “إن العملية التي” يتحلل “من خلالها النيوترون إلى بروتون – مع انبعاث إلكترون خفيف ونيوترينو عديم الكتلة تقريبًا – هي واحدة من أروع العمليات المعروفة للفيزيائيين”. “إن الجهد المبذول لقياس هذه القيمة بدقة بالغة الأهمية لأن فهم العمر الافتراضي للنيوترون يمكن أن يسلط الضوء على كيفية تطور الكون – بالإضافة إلى السماح للفيزيائيين باكتشاف العيوب في نموذجنا للكون دون الذري التي نعرفها ولكن لا أحد لم يتمكن حتى الآن من العثور عليها.

يتم إنتاج النيوترونات المستخدمة في الدراسة بواسطة مصدر نيوتروني شديد البرودة في مركز علوم النيوترونات في لوس ألاموس في مختبر لوس ألاموس الوطني. التقطت تجربة UCNtau هذه النيوترونات ، التي تنخفض درجة حرارتها إلى ما يقرب من الصفر المطلق، داخل “حوض الاستحمام” الذي تصطف عليه حوالي 4000 مغناطيس. بعد الانتظار لمدة 30 إلى 90 دقيقة ، قام الباحثون بحساب النيوترونات الباقية في الوعاء لأنها تحلق ضد الجاذبية بقوة المغناطيس.

يسمح التصميم الفريد لمصيدة UCNtau بتخزين النيوترونات لأكثر من 11 يومًا ، وهو وقت أطول بكثير من التصميمات السابقة ، مما يقلل من الحاجة إلى تصحيحات منهجية يمكن أن تحرف نتائج قياسات العمر. على مدار عامين ، أحصى باحثو الدراسة حوالي 40 مليون نيوترون تم التقاطها باستخدام هذه الطريقة. كانت هذه الجهود عبارة عن أطروحة عمل غونزاليس ، الذي جمع البيانات في لوس ألاموس كطالب دراسات عليا في جامعة IU من 2017 إلى 2019 ، وقاد تحليل النتيجة المنشورة.

وقال سالفات إن نتائج التجربة ستساعد الفيزيائيين في تأكيد أو نفي صحة “مصفوفة كابيبو-كوباياشي-ماسكوا” ، التي تتضمن جسيمات دون ذرية تسمى كواركات وتلعب دورًا مهمًا في “النموذج القياسي” على نطاق واسع المقبولة من فيزياء الجسيمات. كما أنه سيساعد الفيزيائيين على فهم الدور المحتمل الذي قد تلعبه الأفكار الجديدة في الفيزياء ، مثل تحلل النيوترونات في المادة المظلمة ، في تطور النظريات حول الكون ، وربما تساعد أيضًا في تفسير كيفية تشكيلها. .

قال سالفات: “النموذج الأساسي الذي يشرح تحلل النيوترونات يتضمن تغيير الكواركات لهويتها ، لكن الحسابات المحسّنة مؤخرًا تشير إلى أن هذه العملية قد لا تحدث كما هو متوقع”. “سيوفر مقياسنا الجديد لأعمار النيوترونات تقييمًا مستقلاً لمعالجة هذه المشكلة ، أو يوفر أدلة مطلوبة بشدة لاكتشاف فيزياء جديدة.”

المرجع: “تحسين قياس عمر النيوترون باستخدام UCN$ر$بقلم FM Gonzalez و EM Fries و C. Cude-Woods و T. Bailey و M. Blatnik و LJ Broussard و NB Callahan و JH Choi و SM Clayton و SA Currie و M. Dawid و EB Dees و BW Filippone و W. Fox ، جلتنبورت ، إي جورج ، إل هاين ، كي بي هيكرسون ، إم إيه هوفباور ، ك.هوفمان ، إيه تي هولي ، تي إم إيتو ، إيه كوميفز ، سي. ليو ، إم ماكيلا ، سي إل موريس ، آر موسيدينوفيتش ، سي أوشونيسي ، آر دبليو باتي جونيور ، جي رامزي ، دي جي سالفات ، إيه سوندرز ، إي إي شارابوف ، إس. سلوتسكي ، في سو ، إكس صن ، سوانك ، زد تانغ ، دبليو أوريتش ، ج.فاندرويرب ، ب.والستروم ، ز.وانج ، دبليو وي وآر يونج ، 13 أكتوبر 2021 ، خطابات الفحص البدني.
arXiv: 2106.10375