Fisikawan nuklir bekerja untuk mengungkap misteri kehidupan neutron

Sembilan detik. Keabadian dalam beberapa eksperimen ilmiah; Jumlah yang sangat kecil dalam skema besar alam semesta. Dan cukup lama untuk memukau fisikawan nuklir yang mempelajari neutron sepanjang hidup mereka

Neutron adalah salah satu bahan penyusun materi, replika netral dari proton positif. Tidak seperti banyak partikel subotomik lainnya, neutron tidak bertahan lama di luar nukleus. Dalam waktu sekitar 15 menit ia memisahkan proton, elektron, dan partikel kecil yang disebut molekul-neutrino.

Berapa lama waktu yang dibutuhkan neutron untuk hancur menghadirkan suatu misteri. Satu metode mengukurnya sebagai 887,7 detik, plus atau minus atau 2,2 detik. Metode lain mengukurnya agar sesuai sebagai 878,5 detik atau minus 0,8 detik. Pada awalnya, perbedaan ini sepertinya hanya masalah kepekaan ukuran. Itu mungkin benar. Ketika para ilmuwan terus melakukan eksperimen multi-spesifik untuk menilai potensi masalah, begitu banyak signifikansi yang tersisa.

Matthew Frost dan Leah Browserd

Di sebelah kiri, staf ORNL Matthew Frost dan Leah Brosard bekerja dalam refleksi magnetik sumber neutron percikan yang digunakan untuk mencari neutron cermin. Kredit: Laboratorium Nasional Genevieve Martin / Oak Ridge, Departemen Energi AS

Ketekunan ini mengarah pada kemungkinan bahwa perbedaan tersebut mengarah pada sejenis fisika yang tidak diketahui. Ini mungkin mengungkapkan mekanisme peluruhan neutron yang tidak diketahui. Atau bisa juga mengarah pada sains di luar model standar sains yang saat ini digunakan untuk menjelaskan semua fisika partikel. Ada banyak fakta yang tidak sepenuhnya dijelaskan oleh model standar dan perbedaan ini mungkin mengarah pada menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.

Untuk mengatasi ketidaksetaraan yang aneh ini, kantor sains Departemen Energi (DOE) bekerja sama dengan lembaga federal lainnya, laboratorium nasional, dan universitas untuk mengurangi periode waktu neutron.

Jumlah dasar

Fisikawan nuklir pertama kali mulai mempelajari neutron karena peran penting mereka dalam fisika. “Ada beberapa kuantitas mendasar di alam yang tampaknya selalu penting,” kata Dr. Geoff Green, profesor di University of Tennessee dan fisikawan di DOE’s Oak Ridge National Laboratory. Dia telah meneliti umur neutron untuk sebagian besar hidupnya selama hampir 40 tahun. “Teori datang dan pergi tetapi neutron tampaknya menjadi parameter sentral dalam berbagai hal sepanjang hidup.”

Neutron adalah panduan yang berguna untuk memahami partikel lain. Ini adalah partikel paling sederhana yang bersifat radioaktif, yang berarti ia secara teratur terbagi menjadi partikel lain. Dengan demikian, ini memberi banyak wawasan tentang energi lemah, energi yang menentukan apakah neutron diubah menjadi proton. Seringkali, proses ini melepaskan energi dan memisahkan inti. Interaksi energi lemah juga memainkan peran penting dalam sintesis nuklir, di mana dua proton bergabung.

Masa pakai neutron juga dapat memberikan wawasan tentang apa yang terjadi beberapa saat kemudian Ledakan Besar. Beberapa detik setelah pembentukan proton dan neutron tetapi sebelum mereka menggabungkan unsur-unsur bersama-sama, alam semesta bit pada waktu tertentu telah mendingin dengan cepat. Pada titik tertentu, menjadi sangat dingin sehingga proton dan neutron langsung bergabung dengan pembentukan helium dan hidrogen. Jika neutron meluruh menjadi proton agak cepat atau lambat, hal itu dapat berdampak luas pada proses tersebut. Akan ada keseimbangan elemen yang sangat berbeda di alam semesta; Mungkin hidup tidak ada.

“Kami memiliki unsur kimia dalam salah satu kecelakaan yang tidak menguntungkan ini di alam. Ilmuwan ingin sejumlah besar neutron ditambahkan ke persamaan ini seumur hidup. Ketidakpastian seumur hidup mereka membutuhkan waktu kurang dari satu detik. Tetapi lebih sulit untuk memastikannya daripada yang terlihat sebelumnya,” kata Green. “Umur neutron adalah salah satu parameter dasar yang diakui dari model standar,” kata Zhao Tang, fisikawan di Laboratorium Nasional D ই re Los Alamos (LANL).

Tes pribadi telah mampu mencapai tingkat akurasi ini. Namun, ketidakkonsistenan antara berbagai jenis eksperimen mencegah para ilmuwan mencegat sejumlah paku.

Untuk menemukan signifikansi

Untuk mengetahui apakah ada perbedaan antara aspirasi fisikawan untuk menjadi komprehensif. Menggunakan dua atau lebih metode untuk mengukur jumlah yang sama adalah cara terbaik untuk menjamin pengukuran yang akurat. Tetapi para ilmuwan tidak dapat menentukan waktu pada neutron untuk melihat seberapa cepat mereka rusak. Sebaliknya, mereka menemukan cara untuk mengukur neutron sebelum dan sesudah peluruhan untuk menghitung umur.

Uji sinar menggunakan mesin yang menghasilkan aliran neutron. Ilmuwan mengukur jumlah neutron dalam volume pancaran tertentu. Mereka kemudian mentransmisikan arus melalui medan magnet dan masuk ke perangkap partikel yang terdiri dari medan listrik dan magnet. Neutron hilang dalam perangkap, di mana para ilmuwan akhirnya mengukur jumlah proton.

Shane Huggerhead, fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) yang bekerja sama dengan ilmuwan DOE, mengatakan “uji sinar adalah cara yang sangat sulit untuk mengukur akurasi.”

Sebaliknya, tes botol memerangkap neutron ultra-dingin dalam wadah. Neutron ultra-dingin bergerak jauh lebih lambat daripada biasa – beberapa meter per detik dibandingkan dengan 10 juta meter per detik dari reaksi pemisahan. Ilmuwan mengukur ulang berapa banyak neutron di awal dan setelah periode waktu tertentu. Dengan memeriksa perbedaannya, mereka dapat menghitung berapa banyak neutron yang hilang.

“Tes botol mengukur orang yang selamat, tes sinar mengukur orang mati,” kata Green. “Tes botol kedengarannya mudah tapi sebenarnya sangat sulit. Di sisi lain, tes sinar terdengar kaku dan kaku. “

Perbedaan pengukuran pertama kali terungkap pada tahun 2005 setelah uji sinar di NIST (dibantu oleh DOE) dan uji botol di Prancis. Sejak itu, eksperimen telah mencoba untuk mengurangi jarak antara keduanya dengan meminimalkan ketidakpastian sebanyak mungkin.

Green dan rekan-rekannya melakukan pengukuran baru di NIST pada tahun 2013 yang membantu mereka menghitung uji balok tahun 2005 dengan lebih akurat. Saat itu, para ilmuwan telah menguji lima botol dan dua balok. Green yakin bahwa eksperimen sinar sebelumnya telah melewatkan salah satu sumber ketidakpastian terbesar – dengan tepat menghitung jumlah neutron dalam sebuah berkas. Mereka telah meningkatkan pengukuran variabel ini menjadi lima kali lebih akurat tetapi meninggalkan kesenjangan yang hampir sama dengan hasil kerja keras selama delapan tahun.

Fisikawan yang mengerjakan tes botol menghadapi kesulitan mereka sendiri. Salah satu tantangan terbesar adalah menjauhkan neutron dari interaksi dengan materi penyusun wadah. Pada akhir kebocoran, jumlah neutron berubah dan berhenti menghitung kehidupan.

Untuk mengatasi masalah ini, uji bottleneck terbaru LANL (didukung oleh Office of Science) menghilangkan dinding tubuh. Sebaliknya, fisikawan nuklir menggunakan medan magnet dan gravitasi untuk menahan neutron dengan benar. “Saya berada di kamp ini. Jika kita melakukan ini, kita bisa mendapatkan neutron untuk kelangsungan hidup jangka panjang dan menyetujui umur pancaran,” kata Chen-Yu Liu, seorang profesor di Universitas Indiana yang memimpin percobaan. “Itu adalah prasangka pribadi saya.”

Namun perbedaannya tetap ada. Menjelaskan hasil yang diterbitkan pada tahun 2018, dia berkata, “Itu merupakan kejutan besar bagi saya.” Perbedaan yang terjadi dari peluang acak kurang dari 1 dari 10.000 tetapi masih bisa terjadi karena kesalahan dalam pengujian.

Rute penyebab perburuan

Ilmuwan menghadapi dua jenis ketidakpastian atau kesalahan dalam eksperimen: kesalahan statistik atau metodologi atau statistik berasal dari kurangnya data yang cukup untuk menarik kesimpulan yang sulit. Jika Anda bisa mendapatkan lebih banyak data, Anda dapat mengurangi kesalahan ini dengan andal. Kesalahan sistematis adalah ketidakpastian mendasar dengan pengujian. Seringkali, mereka jauh dari jelas, ada berbagai kemungkinan kesalahan sistemik dalam pemeriksaan seumur hidup dari dua jenis neuron tersebut. Hasil yang bagus akan diuji satu sama lain jika hasilnya cocok. Tapi itu membuat iblis sulit untuk menentukan mengapa mereka tidak melakukannya.

“Hal tersulit tentang mengukur masa pakai neutron adalah sangat pendek dan panjang,” kata Hogerhead. “Ternyata 15 menit adalah waktu yang sangat canggung untuk diukur dalam fisika.”

Jadi para ilmuwan nuklir terus bekerja untuk mengumpulkan lebih banyak data dan mengurangi kesalahan sistemik.

“Salah satu hal yang paling saya sukai dari bidang saya adalah seberapa banyak perhatian yang Anda berikan pada detail dan seberapa dalam Anda perlu memahami setiap aspek eksperimen Anda untuk membuat ukuran yang dapat diukur,” kata Leanne Browserd, fisikawan nuklir ORNL. Kata fisikawan nuklir ONNL.

NIST, Huggerhead, Green, dan lainnya menjalankan pengujian sinar baru yang akan mencakup setiap kemungkinan masalah seluas mungkin. Sayangnya, setiap tweet memengaruhi yang lain, jadi ini dua langkah maju, satu langkah mundur.

Upaya lain sedang mencari cara baru untuk mengukur masa hidup neutron. Para peneliti di Universitas Johns Hopkins dan Universitas Durham di Inggris menemukan cara menggunakan data yang didukung oleh DOE NASA Pengukuran umur neutron. Berdasarkan neutron yang lepas Jum. Dan pada hari Rabu, mereka menghitung masa pakai 780 detik dengan 130 detik ketidakpastian. Namun pengumpulan data tidak dibuat untuk tujuan ini, jadi ketidakpastian untuk menyelesaikan perbedaan seumur hidup jauh lebih besar. Di Lanley, persilangan antara botol tang dan uji balok sedang menyiapkan pengujian. Alih-alih mengukur proton pada akhirnya, ia akan mengukur elektron.

Menunggu kemungkinan eksternal

Ada juga kemungkinan bahwa perbedaan tersebut mengungkapkan celah dalam pengetahuan kita tentang partikel fundamental ini.

“Kami tidak bisa menyimpan batu apa pun,” kata Tang. “Ada banyak contoh orang yang telah melihat sesuatu, hanya mengambil kesalahan, tidak bekerja keras untuk itu, dan orang lain melakukannya, dan mereka memenangkan Nobel.”

Satu teori mengatakan bahwa neutron terurai dengan cara yang tidak mudah diketahui oleh para ilmuwan. Ia dapat dipecah menjadi partikel yang berbeda dari kombinasi proton, elektron dan anti-neutrino yang diketahui. Jika ini masalahnya, ini akan menjelaskan mengapa neutron menghilang dalam uji botol tetapi bukan jumlah berkas dengan proton yang muncul dalam pengujian.

Ide lain lebih mendasar. Beberapa ahli teori telah menyatakan bahwa neutron membelah menjadi sinar gamma dan kegelapan misterius. Materi gelap membentuk sekitar 5 persen konten di alam semesta, namun sejauh yang kita tahu kita hanya berinteraksi dengan materi biasa melalui gravitasi. Untuk menguji teori ini, tim ilmuwan di LNL melakukan versi percobaan botol di mana mereka mengukur neutron dan sinar gamma. Namun, sinar gamma yang diusulkan belum diterapkan, dan para ilmuwan tidak memiliki bukti materi gelap dari neutron.

Mirror Matter adalah konsep lain yang mungkin terdengar seperti fiksi ilmiah. Menurut teori tersebut, neutron yang “hilang” dapat diubah menjadi neutron cermin, replika sempurna yang ada di alam semesta yang berlawanan. Setelah berevolusi dengan cara yang berbeda dari alam semesta kita, alam semesta cermin ini akan jauh lebih dingin dan dominan daripada helium. Sementara beberapa ilmuwan nuklir seperti Green menganggapnya “diizinkan”, yang lain hanya tertarik untuk mengujinya.

“Ini adalah area yang relatif belum ditemukan. Ini sangat menarik bagi saya karena saya telah menemukan sumber neutron yang bagus di halaman belakang saya, “kata Browserd, mengacu pada sumber neutron difusi dan reaktor isotop fluks tinggi, keduanya merupakan fasilitas pengguna sains kantor ORNL DOE.

Untuk menguji teori ini, Browserd menganalisis data dari eksperimen yang meniru eksperimen uji kehidupan sinar, tetapi menyesuaikan untuk menangkap tanda pasangan tak terlihat potensial dari neutron. Setelah menyebarkan berkas neutron melalui medan magnet tertentu dan menghentikannya dengan elemen yang menghentikan neutron normal, ia dan rekan-rekannya harus dapat mendeteksi keberadaan neutron cermin.

Neutron akan terus bekerja seumur hidup untuk memahami mengapa tes ini tidak membuahkan hasil. “Sangat jelas bahwa ada banyak upaya untuk mengukur umur neutron secara akurat. Ini memberi Anda respons emosional para ilmuwan terhadap diskriminasi di lapangan – ‘Saya ingin menjelajahinya!’ “Setiap ilmuwan terinspirasi oleh keinginan untuk belajar, keinginan untuk memahami,” kata Browserd.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.