Misteri dengan masa hidup neutron menjadi lebih rumit, dan materi gelap masih belum terlihat

Dua metode untuk mengukur kehidupan neutron memberikan hasil yang berbeda, yang menciptakan ketidakpastian dalam model kosmologis. Tapi tidak ada yang tahu apa masalahnya

Ketika fisikawan mengambil neutron dari inti atom, memasukkannya ke dalam botol dan menghitung berapa banyak neutron yang tersisa di dalamnya setelah beberapa waktu, mereka berasumsi bahwa neutron mengalami peluruhan radioaktif setelah rata-rata 14 menit 39 detik. Tetapi ketika fisikawan lain membuat sinar neutron dan menghitung jumlah proton yang muncul - partikel yang merupakan produk peluruhan neutron bebas - mereka mendapatkan waktu hidup rata-rata sekitar 14 menit 48 detik.

Perbedaan antara pengukuran dalam botol dan balok telah ada sejak metode untuk menghitung umur neutron mulai memberikan hasil mereka pada 1990-an. Pada awalnya, semua pengukuran sangat tidak akurat sehingga tidak ada yang khawatir tentang ini. Namun secara bertahap, kedua metode membaik, dan masih berbeda dalam perkiraan. Para peneliti di Los Alamos National Laboratory sekarang telah melakukan pengukuran botol seumur hidup neutron yang paling akurat menggunakan jenis botol baru yang menghilangkan kemungkinan sumber kesalahan yang melekat pada desain sebelumnya. Hasilnya, yang akan segera muncul dalam jurnal Science, memperkuat perbedaan dengan pengukuran dalam percobaan dengan sinar dan meningkatkan kemungkinan munculnya fisika baru alih-alih kesalahan sederhana dalam percobaan.

Tapi seperti apa fisika baru? Pada bulan Januari, dua fisikawan teoritis mengajukan hipotesis yang menarik tentang alasan perbedaan tersebut. Bartots Fornal dan Benjamin Greenstein dari University of California, San Diego berpendapat bahwa neutron kadang-kadang dapat membusuk menjadi materi gelap - partikel tak terlihat yang mencapai enam per tujuh dari seluruh materi Semesta, memberikan pengaruh gravitasi, sementara melarikan diri selama beberapa dekade dari pencarian eksperimental mereka . Jika neutron kadang-kadang secara misterius berubah menjadi partikel materi gelap, bukan proton, mereka harus menghilang dari botol lebih cepat daripada proton yang muncul di sinar - dan inilah yang terjadi.


Eksperimen di UNCtau di Los Alamos menggunakan metode botol untuk mengukur umur neutron

Fornal dan Greenstein menentukan bahwa dalam kasus paling sederhana massa partikel materi gelap hipotetis harus berada dalam kisaran 937,9 - 938,8 MeV, dan bahwa neutron yang membusuk menjadi partikel seperti itu akan memancarkan sinar gamma dari energi tertentu. "Ini adalah sinyal yang sangat spesifik yang dapat dicari dalam eksperimen," kata Fornal dalam sebuah wawancara.

Tim di percobaan UCNtau di Los Alamos - dinamai dengan neutron lewat dingin dan tau, huruf Yunani untuk masa hidup neutron - mendengar tentang pekerjaan Fornal dan Greenstein bulan lalu ketika mereka bersiap untuk pendekatan eksperimental berikutnya. Hampir segera, Zhaowen Tang dan Chris Morris, kolaborator, menyadari bahwa mereka dapat memasang detektor germanium ke dalam botol mereka untuk mendeteksi sinar gamma dari peluruhan neutron. "Zhao Wen pergi dan berdiri, kami mengumpulkan bagian-bagian yang diperlukan untuk detektor kami, menempatkannya di sebelah tangki dan mulai mengumpulkan data," kata Morris.

Analisis data juga dilakukan dengan cepat. Pada 7 Februari, hanya sebulan setelah hipotesis Fornal dan Greenstein muncul, tim UCNtau melaporkan hasil tes eksperimental di arxiv.org. Mereka mengklaim telah mengesampingkan keberadaan sinar gamma khas dengan kepastian 99%. Berbicara tentang hasilnya, Fornal mencatat bahwa mereka tidak sepenuhnya mengecualikan hipotesis materi gelap: ada pilihan lain di mana neutron meluruh menjadi dua partikel materi gelap, alih-alih satu partikel dan sinar gamma. Tetapi tanpa bukti eksperimental yang jelas, opsi ini akan jauh lebih sulit untuk diverifikasi.


Detektor proton di Institut Standar dan Teknologi Nasional digunakan dalam metode radiasi

Tidak ada bukti materi gelap yang ditemukan. Namun, perbedaan dalam masa hidup neutron jelas didefinisikan sebagai belum pernah terjadi sebelumnya. Dan apakah neutron hidup rata-rata 14 menit 39 detik atau 48 detik, sangat penting.

Fisikawan perlu mengetahui masa hidup neutron untuk menghitung jumlah relatif hidrogen dan helium yang muncul pada menit pertama alam semesta. Semakin cepat neutron membusuk menjadi proton pada saat itu, semakin sedikit mereka seharusnya tetap nanti ketika mereka tertanam dalam inti helium. "Keseimbangan hidrogen dan helium adalah yang pertama dari banyak tes sensitif dari dinamika Big Bang," kata Jeffrey Green, seorang ahli fisika nuklir di University of Tennessee dan Oak Ridge National Laboratory, "dan dia berbicara tentang bagaimana bintang akan terbentuk dalam miliar tahun mendatang." ”Karena galaksi yang mengandung lebih banyak hidrogen membentuk lebih besar, dan pada akhirnya lebih eksplosif, bintang. Karena itu, masa hidup neutron memengaruhi prediksi masa depan jagat raya yang jauh.

Selain itu, neutron dan proton adalah partikel elementer komposit yang terdiri dari quark yang disatukan oleh gluon. Di luar inti atom yang stabil, neutron akan membusuk ketika salah satu kuark bawahnya mengalami peluruhan nuklir yang lemah dan berubah menjadi quark atas, yang mengubah neutron menjadi proton bermuatan positif dan menghasilkan elektron dan antineutrino bermuatan negatif. Quark dan gluon tidak dapat dipelajari secara terpisah, sehingga peluruhan neutron, seperti yang dikatakan Green, "adalah pengganti terbaik kami untuk mempelajari interaksi dasar quark."

Perselingkuhan berlarut-larut dengan ketidakpastian sembilan detik dalam masa neutron harus diselesaikan. Tapi tidak ada yang tahu sedikit pun apa masalahnya. Green, seorang veteran eksperimen radiasi, mengatakan: "Kami semua dengan hati-hati mempelajari eksperimen satu sama lain, dan jika kami tahu apa masalahnya, kami akan menemukannya."


Vertikal - masa neutron dalam hitungan detik. Hasil percobaan dengan sinar ditandai dengan warna merah, dan biru dengan botol.

Untuk pertama kalinya, perbedaan itu menjadi masalah serius pada 2005, ketika sebuah kelompok yang dipimpin oleh Anatoly Serebrov dari Institut Fisika dan Fisika Nuklir St. Petersburg dari Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) di Gaithersburg, Maryland, masing-masing, melaporkan hasil pengukuran pada botol dan sinar itu sendiri. sendiri sangat akurat - kesalahan botol diperkirakan satu detik, dan kesalahan radiasi - tiga detik - tetapi berbeda satu sama lain dengan delapan detik.

Setelah banyak perbaikan dalam skema kerja, pemeriksaan independen dan penyikapan ilmuwan, perbedaan antara waktu rata-rata untuk botol dan balok hanya meningkat sedikit - hingga sembilan detik - dan kesalahan berkurang. Ternyata ada dua pilihan, menurut Peter Geltenbort, seorang ahli fisika nuklir di Laue Langevin Institute di Prancis, yang bekerja di tim Serebrov pada 2005, dan sekarang bekerja di UCNtau: “Entah kita memiliki beberapa fisika baru yang sangat eksotis, atau kita semua melebih-lebihkan keakuratannya. pengukuran ".

Praktisi radiasi dari NIST dan laboratorium lain bekerja untuk memilah dan meminimalkan banyak sumber ketidakpastian dalam percobaan, termasuk intensitas berkas neutron, volume detektor yang dilaluinya, dan efisiensi detektor yang mengambil proton yang dihasilkan oleh peluruhan neutron di sepanjang panjang balok. Selama bertahun-tahun, Green khususnya skeptis terhadap pengukuran intensitas sinar, tetapi pemeriksaan independen menghilangkan keraguan. "Sekarang saya tidak memiliki kandidat yang lebih baik untuk fenomena sistematis yang belum kita perhatikan," katanya.

Adapun botol, para ahli menduga bahwa neutron dapat diserap oleh dinding botol, meskipun melapisi mereka dengan bahan yang halus dan reflektif, bahkan setelah menyesuaikan absorbansi melalui mengubah ukuran botol. Selain itu, mungkin kehilangan sesuatu dengan cara standar menghitung jumlah neutron yang bertahan dalam botol.

Tetapi percobaan baru di UCNtau mengecualikan kedua penjelasan. Alih-alih menyimpan neutron dalam botol material, para ilmuwan menangkapnya menggunakan medan magnet. Dan alih-alih memindahkan neutron yang masih hidup ke detektor eksternal, mereka menggunakan detektor lokal yang direndam dalam botol magnetik dan dengan cepat menyerap semua neuron di dalamnya. Setiap penyerapan ditandai dengan kilatan cahaya, yang direkam oleh fotosel. Namun, hasil akhir mereka mendukung hasil pengalaman sebelumnya.

Tetap hanya untuk melanjutkan. "Semua orang pindah," kata Morris. Dia dan tim UCNtau masih mengumpulkan data dan menyelesaikan analisis, yang mencakup data dua kali lebih banyak dari pekerjaan yang akan segera muncul dalam jurnal Science. Mereka bermaksud mengukur tau dengan kesalahan hanya 0,2 detik. Adapun sinar, tim NIST yang dipimpin oleh Jeffrey Niko sedang mengumpulkan data sekarang dan mengharapkan hasilnya muncul dalam dua tahun, dan kesalahan akan terbatas pada satu detik - sementara di Jepang, eksperimennya, J-PARC.

NIST dan J-PARC akan mengkonfirmasi hasil UCNtau dengan secara permanen menentukan umur neutron, atau kisah ini akan berlanjut.

"Ketegangan ini, dimotivasi oleh perbedaan dalam dua metode independen, memotivasi peningkatan percobaan," kata Green. Jika hanya satu dari teknologi yang dikembangkan, botol atau sinar, fisikawan dapat bertindak lebih jauh dengan nilai yang salah untuk tau yang dimasukkan ke dalam perhitungan mereka. “Keuntungan memiliki dua metode independen adalah mereka menjaga kejujuran. Ketika saya bekerja di Biro Standar Nasional, ada pepatah: “Seseorang dengan satu jam tangan selalu tahu persis jam berapa sekarang; seorang pria dengan dua jam tidak pernah yakin. "