Der hocheffiziente Detektor für ultrakalte Neutronen, der in der „Badewannenfalle“ verwendet wird. Bildnachweis: Los Alamos National Lab / Michael Pierce
Ein internationales Forscherteam hat die weltweit genaueste Messung der Lebensdauer von Neutronen durchgeführt, die möglicherweise Fragen zum frühen Universum beantwortet.
Ein internationales Physikerteam unter der Leitung von Forschern der Indiana University Bloomington hat die weltweit genaueste Messung der Lebensdauer von Neutronen angekündigt.
Die Ergebnisse des Teams, das Wissenschaftler aus über 10 nationalen Labors und Universitäten in den USA und im Ausland umfasst, stellen eine mehr als zweifache Verbesserung gegenüber früheren Messungen dar – mit einer Unsicherheit von weniger als einem Zehntel Prozent.
Über die Arbeit wird in der Ausgabe der Zeitschrift vom 13. Oktober berichtet Physische Überprüfungsschreiben. Es war auch Gegenstand einer Live-Berichterstattung auf der Herbsttagung 2021 der American Physical Society Division of Nuclear Physics.
„Diese Arbeit setzt einen neuen Goldstandard für eine Messung, die für Fragen wie die relativen Häufigkeiten der Elemente, die im frühen Universum entstanden sind, von grundlegender Bedeutung ist“, sagte David Baxter, Vorsitzender des IU Bloomington College of Arts and Sciences’ Department of Physik. „Wir sind stolz auf die langjährige Rolle der IU als führende Institution bei dieser Arbeit.“
IU-nahe Autoren zum Zeitpunkt der Studie waren die Doktoranden Nathan Callahan, Maria Dawid und Francisco Gonzalez; Ingenieur Walt Fox; Rudy Professor für Physik Chen-Yu Liu; Forschungswissenschaftler Daniel Salvat; und Maschinenbautechniker John Vanderwerp. (Callahan und Gonzalez sind derzeit mit dem Argonne National Laboratory bzw. dem Oak Ridge National Laboratory verbunden.) Die Forschung wurde am Los Alamos National Laboratory durchgeführt.
Der wissenschaftliche Zweck des Experiments besteht darin, zu messen, wie lange ein freies Neutron im Durchschnitt außerhalb der Grenzen von Atomkernen lebt.
„Der Prozess, bei dem ein Neutron in ein Proton ‚zerfällt‘ – mit der Emission eines leichten Elektrons und eines fast masselosen Neutrinos – ist einer der faszinierendsten Prozesse, die Physiker kennen“, sagt Salvat, der die Experimente in Los Alamos leitete. „Der Aufwand, diesen Wert sehr genau zu messen, ist bedeutsam, denn das Verständnis der genauen Lebensdauer des Neutrons kann Aufschluss darüber geben, wie sich das Universum entwickelt hat – und es Physikern ermöglichen, Fehler in unserem Modell des subatomaren Universums zu entdecken, von denen wir wissen, dass sie existieren, aber niemand hat.“ noch finden konnte.”
Die in der Studie verwendeten Neutronen werden von der Ultracold Neutronenquelle des Los Alamos Neutron Science Center am Los Alamos National Lab produziert. Das UCNtau-Experiment fängt diese Neutronen ein, deren Temperaturen auf fast . gesenkt werden Absoluter Nullpunkt, in einer mit rund 4.000 Magneten ausgekleideten „Badewanne“. Nach einer Wartezeit von 30 bis 90 Minuten zählen die Forscher die überlebenden Neutronen in der Wanne, während sie durch die Kraft der Magnete gegen die Schwerkraft schweben.
Das einzigartige Design der UCNtau-Falle ermöglicht es, Neutronen für mehr als 11 Tage zu speichern, eine deutlich längere Zeit als frühere Designs, wodurch der Bedarf an systematischen Korrekturen minimiert wird, die die Ergebnisse der Lebensdauermessungen verfälschen könnten. Über zwei Jahre zählten die Forscher der Studie etwa 40 Millionen Neutronen, die mit dieser Methode eingefangen wurden. Diese Bemühungen waren die Abschlussarbeit von Gonzalez, der als IU-Doktorand von 2017 bis 2019 die Daten in Los Alamos sammelte und die Analyse der veröffentlichten Ergebnisse leitete.
Salvat sagte, die Ergebnisse des Experiments werden Physikern helfen, die Gültigkeit der „Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix“ zu bestätigen oder zu leugnen, die subatomare Teilchen, die Quarks genannt werden, betrifft und eine wichtige Rolle im weithin akzeptierten „Standardmodell“ der Teilchenphysik spielt. Es wird Physikern auch helfen, die potenzielle Rolle zu verstehen, die neue Ideen in der Physik, wie der Zerfall von Neutronen in dunkle Materie, bei der Entwicklung von Theorien über das Universum spielen können, und möglicherweise helfen, zu erklären, wie die ersten Atomkerne gebildet wurden.
„Das zugrunde liegende Modell, das den Neutronenzerfall erklärt, beinhaltet, dass die Quarks ihre Identität ändern, aber kürzlich verbesserte Berechnungen deuten darauf hin, dass dieser Prozess möglicherweise nicht wie zuvor vorhergesagt abläuft“, sagte Salvat. „Unsere neue Messung der Neutronenlebensdauer wird eine unabhängige Bewertung liefern, um dieses Problem zu lösen, oder viel gesuchte Beweise für die Entdeckung neuer Physik liefern.“
Referenz: „Verbesserte Messung der Neutronenlebensdauer mit UCNT” von FM Gonzalez, EM Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, LJ Broussard, NB Callahan, JH Choi, SM Clayton, SA Currie, M. Dawid, EB Dees, BW Filippone, W. Fox , P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, KP Hickerson, MA Hoffbauer, K. Hoffman, AT Holley, TM Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, CL Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, RW Pattie Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EI Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei und AR Young, 13. Oktober 2021, Physische Überprüfungsschreiben.
arXiv: 2106.10375