न्यूट्रॉन जीवनकाल के साथ रहस्य अधिक जटिल हो जाता है, और डार्क मैटर अभी भी दिखाई नहीं देता है

न्यूट्रॉन जीवन को मापने के लिए दो तरीके अलग-अलग परिणाम देते हैं, जो कॉस्मोलॉजिकल मॉडल में अनिश्चितता पैदा करता है। लेकिन समस्या क्या है यह कोई नहीं जानता

जब भौतिक विज्ञानी परमाणु नाभिक से न्यूट्रॉन को छीनते हैं, तो उन्हें एक बोतल में डालें और गणना करें कि कुछ समय के बाद इसमें कितने न्यूट्रॉन रहते हैं, वे मानते हैं कि न्यूट्रॉन रेडियोधर्मी क्षय का औसत 14 मिनट 39 सेकंड के बाद अनुभव करते हैं। लेकिन जब अन्य भौतिक विज्ञानी न्यूट्रॉन किरणें बनाते हैं और दिखाई देने वाले प्रोटॉन की संख्या की गणना करते हैं - ऐसे कण जो मुक्त न्यूट्रॉन के क्षय उत्पाद हैं - उन्हें लगभग 14 मिनट 48 सेकंड का औसत जीवनकाल मिलता है।

1990 के दशक में न्यूट्रॉन के जीवनकाल की गणना करने के तरीके शुरू होने के बाद से बोतल और बीम में माप के बीच विसंगतियां मौजूद हैं। सबसे पहले, सभी माप इतने गलत थे कि कोई भी इस बारे में चिंतित नहीं था। लेकिन धीरे-धीरे, दोनों तरीकों में सुधार हुआ, और फिर भी अनुमानों में बदल गया। लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने अब एक नई बोतल प्रकार का उपयोग करके न्यूट्रॉन जीवनकाल की सबसे सटीक बोतल माप को अंजाम दिया है जो पिछले डिजाइनों में निहित त्रुटि के संभावित स्रोतों को समाप्त करता है। परिणाम, जो जल्द ही जर्नल साइंस में दिखाई देगा, किरणों के साथ प्रयोगों में माप के साथ अंतर को पुष्ट करता है और प्रयोग में एक साधारण गलती के बजाय एक नई भौतिकी दिखाई देने की संभावना बढ़ जाती है।

लेकिन नई भौतिकी क्या है? जनवरी में, दो सैद्धांतिक भौतिकविदों ने उल्लेखित विसंगति के कारण के बारे में एक रोमांचक परिकल्पना को सामने रखा। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के बारोट्स फ़ोरनल और बेंजामिन ग्रीनस्टीन का तर्क है कि न्यूट्रॉन कभी-कभी अंधेरे पदार्थ में क्षय कर सकते हैं - अदृश्य कण जो ब्रह्मांड के पूरे मामले के छह-सातवें हिस्से तक बनाते हैं, उन्होंने अपने प्रायोगिक खोजों के दशकों तक बचते हुए, अपना गुरुत्वाकर्षण प्रभाव दिया। । यदि न्यूट्रॉन कभी-कभी रहस्यमय ढंग से प्रोटॉन के बजाय डार्क मैटर के कणों में बदल जाते हैं, तो उन्हें किरणों में दिखाई देने वाली किरणों की तुलना में तेजी से बोतलों से गायब हो जाना चाहिए - और ठीक ऐसा ही होता है।


न्यूट्रॉन जीवनकाल को मापने के लिए एक बोतल विधि का उपयोग करके लॉस एलामोस में UNCtau में एक प्रयोग

फोरनल और ग्रीनस्टीन ने निर्धारित किया कि सबसे सरल मामले में एक काल्पनिक अंधेरे पदार्थ कण का द्रव्यमान 937.9 - 938.8 MeV की सीमा में होना चाहिए, और इस तरह के एक कण में एक न्यूट्रॉन का क्षय एक निश्चित ऊर्जा के गामा किरण का उत्सर्जन करेगा। "यह एक बहुत ही विशिष्ट संकेत है जिसे प्रयोगों में मांगा जा सकता है," फोरनाल ने एक साक्षात्कार में कहा।

लॉस एलामोस में यूसीनाटॉ प्रयोग में टीम - अल्ट्राहोल्ड न्यूट्रॉन और ताऊ के नाम पर, न्यूट्रॉन जीवनकाल के लिए ग्रीक पत्र - पिछले महीने फोरनाल और ग्रीनस्टीन के काम के बारे में सुना जो उसने अगले प्रयोगात्मक दृष्टिकोण के लिए तैयार किया था। लगभग, झाउवेन तांग और क्रिस मॉरिस, सहयोगियों, ने महसूस किया कि वे न्यूट्रॉन क्षय से गामा किरणों का पता लगाने के लिए अपनी बोतल में एक जर्मेनियम डिटेक्टर को पेंच कर सकते हैं। "झाओ वेन गए और एक स्टैंड बनाया, हमने अपने डिटेक्टर के लिए आवश्यक भागों को एकत्र किया, उन्हें टैंक के बगल में रखा और डेटा एकत्र करना शुरू किया," मॉरिस ने कहा।

डेटा विश्लेषण भी जल्दी से किया गया था। 7 फरवरी को, फ़ोरनल और ग्रीनस्टीन परिकल्पना के प्रकट होने के ठीक एक महीने बाद, UCNtau टीम ने arxiv.org पर प्रयोगात्मक परीक्षणों के परिणामों की सूचना दी। वे 99% की निश्चितता के साथ विशेषता गामा किरणों की उपस्थिति से इनकार करते हैं। परिणाम के बारे में बात करते हुए, फोरनल ने उल्लेख किया कि उन्होंने अंधेरे पदार्थ की परिकल्पना को पूरी तरह से बाहर नहीं किया है: एक और विकल्प है जिसमें न्यूट्रॉन एक कण और एक गामा किरण के बजाय अंधेरे पदार्थ के दो कणों में बदल जाता है। लेकिन स्पष्ट प्रायोगिक साक्ष्य के बिना, इस विकल्प को सत्यापित करना अधिक कठिन होगा।


विकिरण विधि में राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान में प्रोटॉन डिटेक्टर

डार्क मैटर का कोई सबूत नहीं मिला है। हालांकि, न्यूट्रॉन जीवनकाल में विसंगति स्पष्ट रूप से पहले कभी नहीं के रूप में परिभाषित किया गया है। और क्या न्यूट्रॉन औसतन 14 मिनट 39 सेकंड या 48 सेकंड तक रहता है, का बहुत महत्व है।

ब्रह्मांड के पहले मिनटों में दिखाई देने वाले हाइड्रोजन और हीलियम की सापेक्ष मात्रा की गणना करने के लिए भौतिकविदों को न्यूट्रॉन के जीवनकाल को जानना आवश्यक है। उस समय प्रोटॉन में तेजी से न्यूट्रॉन क्षय हो गए थे, उन्हें बाद में कम होना चाहिए था जब वे हीलियम नाभिक में एम्बेडेड थे। टेनेसी विश्वविद्यालय और ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के एक परमाणु भौतिक विज्ञानी जेफरी ग्रीन ने कहा, "हाइड्रोजन और हीलियम का संतुलन बिग बैंग की गतिशीलता के कई संवेदनशील परीक्षणों में से पहला है," और वह अगले अरब वर्षों में कैसे सितारों के बारे में बात करेंगे। " "क्योंकि अधिक हाइड्रोजन वाले आकाशगंगाएं अधिक विशाल रूप में हैं, और अंततः अधिक विस्फोटक, तारे हैं। इसलिए, न्यूट्रॉन जीवनकाल ब्रह्मांड के दूर के भविष्य की भविष्यवाणियों को प्रभावित करता है।

इसके अलावा, न्यूट्रॉन और प्रोटॉन मिश्रित प्राथमिक कण हैं, जो ग्लून्स द्वारा एक साथ रखे गए क्वार्क से मिलकर होते हैं। स्थिर परमाणु नाभिक के बाहर, एक न्यूट्रॉन तब घटता है जब उसके निचले क्वार्कों में से एक कमजोर परमाणु क्षय का अनुभव करता है और ऊपरी क्वार्क में बदल जाता है, जो न्यूट्रॉन को सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन में बदल देता है और एक नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो उत्पन्न करता है। क्वार्क और ग्लून्स का अलग-अलग अध्ययन नहीं किया जा सकता है, इसलिए न्यूट्रॉन क्षय, जैसा कि ग्रीन कहते हैं, "क्वार्क के प्राथमिक इंटरैक्शन का अध्ययन करने के लिए हमारा सबसे अच्छा सरोगेट है।"

न्यूट्रॉन जीवनकाल में नौ-सेकंड की अनिश्चितता के साथ एक लंबी अवधि के संबंध को हल किया जाना चाहिए। लेकिन किसी को भी अंदाजा नहीं है कि समस्या क्या है। विकिरण प्रयोगों के एक अनुभवी ग्रीन ने कहा, "हम सभी ने एक-दूसरे के प्रयोगों का सावधानीपूर्वक अध्ययन किया, और अगर हमें पता होता कि समस्या क्या है, तो हम इसे पा लेते।"


लंबवत - सेकंड में न्यूट्रॉन जीवनकाल। किरणों के साथ प्रयोगों के परिणाम लाल और नीले रंग की बोतलों में चिह्नित होते हैं।

पहली बार, 2005 में विसंगति एक गंभीर समस्या बन गई, जब मैरीलैंड के Gaersersburg में नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी (NIST) के सेंट पीटर्सबर्ग इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स एंड फिजिक्स से अनातोली सेरेब्रोव के नेतृत्व में एक समूह ने क्रमशः बोतलों पर माप के परिणामों की सूचना दी। अपने आप में बहुत सटीक - एक सेकंड में बोतल की त्रुटि का अनुमान लगाया गया था, और तीन सेकंड में विकिरण की त्रुटि - लेकिन एक-दूसरे से आठ सेकंड तक अलग थी।

वैज्ञानिकों की कामकाजी योजनाओं, स्वतंत्र जाँच और विचारशील ब्रशिंग में कई सुधारों के बाद, एक बोतल और एक बीम के लिए औसत समय के बीच का अंतर केवल थोड़ा बढ़ गया - नौ सेकंड तक - और त्रुटियों में कमी आई। यह दो विकल्प निकलता है, फ्रांस में Laue Langevin Institute में एक परमाणु भौतिक विज्ञानी, पीटर जेल्टेनबोर्ट के अनुसार, जिन्होंने 2005 में सेरेब्रोव की टीम में काम किया था, और अब UCNtau में काम करता है: “या तो हम कुछ बहुत ही नए विदेशी भौतिकी हैं, या हम सभी ने सटीकता को कम कर दिया है माप "।

NIST और अन्य प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिकों ने किरणों पर काम करने और न्यूट्रॉन बीम की तीव्रता सहित प्रयोगों में अनिश्चितता के कई स्रोतों को कम करने के लिए काम किया है, जिसमें से होकर गुजरने वाले डिटेक्टर की मात्रा और डिटेक्टर की दक्षता बीम की पूरी लंबाई के साथ न्यूट्रॉन का क्षय करके उत्पन्न प्रोटेक को उठाती है। वर्षों से, ग्रीन बीम की तीव्रता के माप पर विशेष रूप से संदेह था, लेकिन स्वतंत्र जांच ने संदेह को समाप्त कर दिया। उन्होंने कहा, "अब मेरे पास व्यवस्थित घटना के लिए बेहतर उम्मीदवार नहीं हैं।"

जैसा कि बोतलों के लिए होता है, विशेषज्ञों को संदेह था कि बोतलों का आकार बदलकर अवशोषित करने के बाद भी एक चिकनी और चिंतनशील सामग्री के साथ कोटिंग के बावजूद, न्यूट्रॉन को बोतलों की दीवारों द्वारा अवशोषित किया जा सकता है। इसके अलावा, यह बोतल में जीवित न्यूट्रॉन की संख्या की गणना के मानक तरीके में कुछ याद कर सकता है।

लेकिन UCNtau के एक नए प्रयोग ने दोनों स्पष्टीकरणों को छोड़ दिया। सामग्री की बोतलों में न्यूट्रॉन के भंडारण के बजाय, वैज्ञानिकों ने उन्हें चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके पकड़ा। और बचे हुए न्यूट्रॉन को बाहरी डिटेक्टर में ले जाने के बजाय, उन्होंने एक चुंबकीय बोतल में डूबे हुए स्थानीय डिटेक्टर का उपयोग किया और जल्दी से सभी न्यूरॉन्स को अंदर अवशोषित कर लिया। प्रत्येक अवशोषण को प्रकाश की एक फ्लैश की विशेषता होती है, जिसे फोटोकल्स द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है। हालांकि, उनके अंतिम परिणाम ने पिछले अनुभव के परिणामों का समर्थन किया।

यह केवल आगे बढ़ने के लिए बनी हुई है। "हर कोई आगे बढ़ रहा है," मॉरिस ने कहा। वह और UCNtau टीम अभी भी डेटा एकत्र कर रहे हैं और विश्लेषण पूरा कर रहे हैं, जिसमें दो बार उतना ही डेटा शामिल है जितना कि काम जल्द ही जर्नल साइंस में दिखाई देगा। वे केवल 0.2 सेकंड की त्रुटि के साथ ताऊ को मापने का इरादा रखते हैं। किरणों के लिए, जेफरी निको के नेतृत्व में एक एनआईएसटी टीम अब डेटा एकत्र कर रही है और उम्मीद है कि परिणाम दो साल में दिखाई देंगे, और त्रुटि एक सेकंड तक सीमित रहेगी - जबकि जापान में, इसका प्रयोग, जे-PARC।

NIST और J-PARC या तो UCNtau के परिणाम की पुष्टि करेंगे, हमेशा के लिए न्यूट्रॉन के जीवनकाल को निर्धारित करने के बाद, या यह गाथा जारी रहेगी।

"यह तनाव, दो स्वतंत्र तरीकों में विचलन द्वारा प्रेरित, प्रयोगों के सुधार को प्रेरित करता है," ग्रीन ने कहा। यदि केवल एक तकनीक विकसित की गई थी, तो एक बोतल या एक किरण, भौतिकविद ताउ के लिए गलत गणना के साथ आगे की गणना कर सकते थे। “दो स्वतंत्र तरीके होने का लाभ यह है कि वे ईमानदारी बनाए रखते हैं। जब मैंने राष्ट्रीय मानक ब्यूरो में काम किया, तो एक कहावत थी: “एक घड़ी वाला व्यक्ति हमेशा जानता है कि वास्तव में क्या समय है; दो घंटे का आदमी कभी सुनिश्चित नहीं होता है। "