Czas życia neutronu zmierzony. Potrzebna była wanna z 4000 magnesów

Międzynarodowy zespół fizyków kierowany przez naukowców z Indiana University Bloomington dokonał najdokładniejszego na świecie pomiaru żywotności neutronu. Uzyskany wynik jest dwa razy dokładniejszy w stosunku do poprzednich analiz, z niepewnością mniejszą niż 0,1 procenta.
Udało się zmierzyć czas życia neutronów poza jądrem atomowym
Udało się zmierzyć czas życia neutronów poza jądrem atomowym

Celem eksperymentu było zmierzenie, jaka jest średnia długość życia neutronu poza jądrem atomowym. Wyniki zostały opisane w Physical Review Letters.

Ta praca ustanawia nowy złoty standard dla pomiaru, który ma fundamentalne znaczenie dla takich pytań, jak względne obfitości pierwiastków powstałych we wczesnym wszechświecie. Jesteśmy dumni z wieloletniej roli IU jako instytucji wiodącej w tej pracy.David Baxter, przewodniczący Wydziału Fizyki IU Bloomington College of Arts and Sciences

Liczenie ultrazimnych neutronów

W badaniach użyto neutronów wytwarzanych w Ultracold Neutrons (UCN) w Los Alamos National Laboratory. W eksperymencie UCNtau, podstawę którego stanowi “wanna” wyłożona ok. 4000 magnesami, są wychwytywane te neutrony, których temperatura jest zbliżona do zera bezwzględnego (−273,15oC).

Proces, w którym neutron “rozpada się” na proton – z emisją lekkiego elektronu i prawie bezmasowego neutrina – jest jednym z najbardziej fascynujących procesów znanych fizykom. Aby zmierzyć tę wartość trzeba się mocno nagimnastykować, ale warto, bo pomiary mogą rzucić światło na to, jak rozwijał się Wszechświat, a także, jakie są wady obowiązujących modeli.David Salvat, który kierował eksperymentami w Los Alamos
Tak wyglądał detektor neutronów użyty w eksperymencie UCNtau

Wyjątkowość pułapki UCNtau pozwala na przechowywanie pozyskanych neutronów przez ponad 11 dni, a to znacznie dłużej niż w przypadku alternatywnych rozwiązań. To minimalizuje potrzebę wdrażania kolejnych poprawek do pomiarów żywotności neutronów.

W trakcie dwóch lat trwania eksperymentu, naukowcy policzyli ok. 40 mln neutronów. Z pomiarów wynika, że czas życia neutronu poza jądrem atomowym wynosi ok. 15 minut, a dokładniej: 879,6 ± 0,8 sekund.

Wyniki badań pomogą fizykom potwierdzić lub zaprzeczyć poprawności macierzy Cabibbo-Kobayashiego-Maskawy, która opisuje kwarki i odgrywa ważną rolę w Modelu Standardowym.