Udało się zmierzyć czas życia neutronów poza jądrem atomowym

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.

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.