يصبح اللغز مع عمر النيوترون أكثر تعقيدًا ، ولا تزال المادة المظلمة غير مرئية

طريقتان لقياس حياة النيوترونات تعطي نتائج مختلفة ، مما يخلق عدم اليقين في النماذج الكونية. لكن لا أحد يعرف ما هي المشكلة

عندما ينتزع الفيزيائيون النيوترونات من النوى الذرية ، يضعونها في زجاجة ويحسبوا عدد النيوترونات المتبقية فيها بعد مرور بعض الوقت ، يفترضون أن النيوترونات تعاني من الاضمحلال الإشعاعي بعد متوسط ​​14 دقيقة و 39 ثانية. ولكن عندما يقوم فيزيائيون آخرون بإنشاء أشعة نيوترونية ويحسبون عدد البروتونات التي تظهر - الجسيمات التي هي نتاج اضمحلال النيوترونات الحرة - يحصلون على متوسط ​​عمر يصل إلى حوالي 14 دقيقة و 48 ثانية.

توجد اختلافات بين القياسات في الزجاجة والحزمة منذ أن بدأت طرق حساب عمر النيوترون في إعطاء نتائجها في التسعينات. في البداية ، كانت جميع القياسات غير دقيقة للغاية لدرجة أنه لم يكن أحد قلقًا بشأن ذلك. لكن تدريجياً ، تحسنت كلتا الطريقتين ، ولا تزال متباينة في التقديرات. أجرى الباحثون في مختبر لوس ألاموس الوطني الآن قياس الزجاجة الأكثر دقة لعمر النيوترونات باستخدام نوع زجاجة جديد يزيل مصادر الخطأ المحتملة الكامنة في التصاميم السابقة. النتيجة ، التي ستظهر قريبًا في مجلة ساينس ، تعزز الفرق بقياسات في التجارب مع الأشعة وتزيد من فرص ظهور فيزياء جديدة بدلاً من خطأ بسيط في التجربة.

لكن أي نوع من الفيزياء الجديدة؟ في يناير ، طرح اثنان من الفيزيائيين النظريين فرضية مثيرة حول سبب التناقض المذكور. يجادل بارتوتس فورنال وبنيامين غرينشتاين من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بأن النيوترونات يمكن أن تتحلل في بعض الأحيان إلى مادة مظلمة - جزيئات غير مرئية تشكل ما يصل إلى ستة سابع مادة الكون بأكملها ، نظرًا لتأثيرها الثقالي ، أثناء الهروب لعقود من عمليات البحث التجريبية . إذا كانت النيوترونات تتحول بشكل غامض في بعض الأحيان إلى جسيمات من المادة المظلمة بدلاً من البروتونات ، فيجب أن تختفي من الزجاجات أسرع مما تظهر البروتونات في الأشعة - وهذا هو بالضبط ما يحدث.


تجربة في UNCtau في لوس ألاموس باستخدام طريقة زجاجة لقياس عمر النيوترون

قرر كل من Fornal و Greenstein أنه في أبسط الحالات ، يجب أن تكون كتلة جسيم المادة المظلمة الافتراضية في نطاق 937.9 - 938.8 MeV ، وأن انحلال النيوترون في مثل هذا الجسيم سيبعث شعاع غاما بطاقة معينة. قال Fornal في مقابلة "هذه إشارة محددة للغاية يمكن البحث عنها في التجارب".

سمع الفريق في تجربة UCNtau في لوس ألاموس - التي سميت باسم النيوترونات فائقة السرعة وتاو ، وهي الرسالة اليونانية لعمر النيوترون - عن عمل Fornal و Greenstein الشهر الماضي وهي تستعد للنهج التجريبي التالي. على الفور تقريبًا ، أدرك المتعاونون Zhaowen Tang و Chris Morris أنه بإمكانهم تثبيت مكشاف الجرمانيوم في قارورتهم للكشف عن أشعة غاما المنبعثة من اضمحلال النيوترون. قال موريس: "ذهب تشاو ون واتخذ موقفاً ، جمعنا الأجزاء اللازمة لجهاز الكشف الخاص بنا ، ووضعناها بجوار الدبابة وبدأنا في جمع البيانات".

كما تم تحليل البيانات بسرعة. في 7 فبراير ، بعد شهر واحد فقط من ظهور فرضيات Fornal و Greenstein ، أبلغ فريق UCNtau عن نتائج الاختبارات التجريبية على arxiv.org. يزعمون أنهم استبعدوا وجود أشعة جاما المميزة بنسبة يقين 99 ٪. بالحديث عن النتيجة ، أشار Fornal إلى أنهم لم يستبعدوا تمامًا فرضية المادة المظلمة: هناك خيار آخر يتحلل فيه النيوترون إلى جزأين من المادة المظلمة ، بدلاً من جسيم واحد وأشعة جاما. ولكن بدون دليل تجريبي واضح ، سيكون هذا الخيار أكثر صعوبة للتحقق.


كاشف البروتون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا يستخدم في طريقة الإشعاع

لم يتم العثور على دليل على المادة المظلمة. ومع ذلك ، فإن التناقض في عمر النيوترون محدد بوضوح كما لم يحدث من قبل. وسواء كان النيوترون يعيش في المتوسط ​​14 دقيقة 39 ثانية أو 48 ثانية ، فإن ذلك له أهمية كبيرة.

يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة عمر النيوترون لحساب الكمية النسبية للهيدروجين والهليوم التي ظهرت في الدقائق الأولى من الكون. وكلما كانت النيوترونات الأسرع تتحلل إلى بروتونات في ذلك الوقت ، كان يجب أن تبقى أقل في وقت لاحق عندما تكون مغروسة في نوى الهيليوم. قال جيفري جرين ، الفيزيائي النووي في جامعة تينيسي ومختبر أوك ريدج الوطني ، "إن توازن الهيدروجين والهيليوم هو الأول من بين العديد من الاختبارات الحساسة لديناميكيات الانفجار الكبير ، ويتحدث عن كيفية تشكل النجوم في مليار سنة مقبلة." لأن المجرات التي تحتوي على المزيد من الهيدروجين تشكل كتلًا أكثر ضخامة ، وفي النهاية أكثر انفجارًا. لذلك ، يؤثر العمر النيوتروني على تنبؤات المستقبل البعيد للكون.

بالإضافة إلى ذلك ، النيوترونات والبروتونات هي جسيمات أولية مركبة تتكون من كواركات تمسكها سوائل الجلون. خارج النوى الذرية المستقرة ، يتحلل النيوترون عندما يتعرض أحد الكواركات السفلية لانحلال نووي ضعيف ويتحول إلى كوارك علوي ، والذي يحول النيوترون إلى بروتون مشحون بشكل إيجابي ويولد إلكترونًا ومضادًا للنترينو. لا يمكن دراسة الكواركات والغلونات بشكل منفصل ، لذا فإن اضمحلال النيوترون ، كما يقول غرين ، "هو أفضل بديل لدينا لدراسة التفاعلات الأولية للكواركات."

يجب حل قضية طويلة الأمد مع عدم اليقين لمدة تسع ثوان في حياة النيوترون. ولكن لا أحد لديه أدنى فكرة عن المشكلة. قال جرين ، المخضرم في التجارب الإشعاعية: "لقد درسنا جميعًا تجارب بعضنا البعض بعناية ، وإذا عرفنا ماهية المشكلة ، لوجدناها".


عمودي - عمر النيوترون بالثواني. نتائج التجارب بالأشعة موضحة باللون الأحمر والأزرق بزجاجات.

لأول مرة ، أصبح التناقض مشكلة خطيرة في عام 2005 ، عندما أبلغت مجموعة بقيادة أناتولي سيربروف من معهد سانت بطرسبرغ للفيزياء والفيزياء النووية من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (نيست) في غايثرسبيرغ ، ماريلاند ، على التوالي ، عن نتائج القياسات على الزجاجات والأشعة نفسها. أنفسهم دقيقون جدًا - تم تقدير خطأ الزجاجة في ثانية واحدة ، وخطأ الإشعاع - في ثلاث ثوانٍ - لكنهم اختلفوا عن بعضهم البعض بمقدار ثماني ثوانٍ.

بعد العديد من التحسينات في خطط العمل ، والفحوصات المستقلة والفرشاة المدروسة للعلماء ، زاد الفرق بين متوسط ​​الوقت للزجاجة والشعاع قليلاً - حتى تسع ثوان - وانخفضت الأخطاء. اتضح خياران ، وفقًا لبيتر جيلتينبورت ، الفيزيائي النووي في معهد لاو لانجفين في فرنسا ، الذي عمل في فريق سيريبروف في عام 2005 ، ويعمل الآن في UCNtau: "إما أن يكون لدينا بعض الفيزياء الجديدة الغريبة جدًا ، أو أننا نبالغ في تقدير الدقة القياسات ".

عمل ممارسو الإشعاع من NIST والمختبرات الأخرى على فرز وتقليل العديد من مصادر عدم اليقين في التجارب ، بما في ذلك شدة الحزمة النيوترونية ، وحجم الكاشف الذي يمر من خلاله ، وكفاءة الكاشف الذي يلتقط البروتونات المتولدة عن تحلل النيوترونات على طول الحزمة الكاملة. لسنوات ، كان جرين متشككًا بشكل خاص في قياسات كثافة الشعاع ، لكن الشيكات المستقلة أزالت الشكوك. وقال "الآن ليس لدي مرشح أفضل لظاهرة منهجية لم نلاحظها".

أما بالنسبة للزجاجات ، فقد اشتبه الخبراء في إمكانية امتصاص النيوترونات بجدران الزجاجات ، على الرغم من طلاءها بمادة ناعمة وعاكسة ، حتى بعد تعديل الامتصاصات من خلال تغيير حجم الزجاجات. بالإضافة إلى ذلك ، قد تفوت شيئًا بالطريقة القياسية لحساب عدد النيوترونات التي تعيش في زجاجة.

لكن تجربة جديدة في UCNtau استبعدت التفسيرات. وبدلاً من تخزين النيوترونات في زجاجات المواد ، أمسكها العلماء باستخدام الحقول المغناطيسية. وبدلاً من نقل النيوترونات الباقية إلى كاشف خارجي ، استخدموا كاشفًا محليًا مغمورًا في زجاجة مغناطيسية ويمتص بسرعة جميع الخلايا العصبية في الداخل. يتميز كل امتصاص بوميض ضوئي يتم تسجيله بواسطة الخلايا الضوئية. ومع ذلك ، دعمت النتيجة النهائية لنتائج التجربة السابقة.

يبقى فقط للمضي قدما. قال موريس: "الجميع يمضي قدمًا". لا يزال هو وفريق UCNtau يجمعون البيانات ويكملون التحليل ، الذي يتضمن ضعف البيانات مثل العمل الذي سيظهر قريبًا في مجلة Science. ينوون قياس تاو مع خطأ 0.2 ثانية فقط. بالنسبة للأشعة ، يقوم فريق NIST بقيادة جيفري نيكو بجمع البيانات الآن ويتوقع ظهور النتائج في غضون عامين ، وسيقتصر الخطأ على ثانية واحدة - بينما في اليابان ، تجربتها ، J-PARC.

سيؤكد NIST و J-PARC إما نتيجة UCNtau ، بعد تحديد عمر النيوترون إلى الأبد ، أو ستستمر هذه الملحمة.

قال غرين: "هذا التوتر ، بدافع الاختلاف في طريقتين مستقلتين ، يحفز على تحسين التجارب". إذا تم تطوير تقنية واحدة فقط ، أو زجاجة أو شعاع ، يمكن للفيزيائيين التصرف بشكل أكبر مع القيمة الخاطئة للتاو المضمنة في حساباتهم. "إن ميزة امتلاك طريقتين مستقلتين هي الحفاظ على الصدق. عندما كنت أعمل في المكتب الوطني للمعايير ، كان هناك قول مأثور: "الشخص الذي لديه ساعة واحدة يعرف دائمًا الوقت كاملاً. رجل ساعتين ليس متأكدا أبدا ".