(TanyaLovus/iStock/Getty Images Plus) Wir wissen jetzt auf ein Zehntel Prozent genau, wie lange ein Neutron außerhalb des Atomkerns überleben kann, bevor es in ein Proton zerfällt.
Dies ist die bisher präziseste Messung der Lebensdauer dieser fundamentalen Teilchen und stellt eine mehr als zweifache Verbesserung gegenüber früheren Messungen dar. Dies hat Auswirkungen auf unser Verständnis darüber, wie in den darauffolgenden Minuten aus einer Suppe aus Protonen und Neutronen die erste Materie im Universum entstand Urknall .
„Der Prozess, bei dem ein Neutron in ein Proton ‚zerfällt‘ – unter Emission eines leichten und nahezu masselosen Elektrons.“ Neutrino – ist einer der faszinierendsten Prozesse, die Physiker kennen“, sagte der Kernphysiker Daniel Salvat der Indiana University Bloomington.
„Der Aufwand, diesen Wert sehr genau zu messen, ist erheblich, denn das Verständnis der genauen Lebensdauer des Neutrons kann Aufschluss darüber geben, wie sich das Universum entwickelt hat – und es Physikern ermöglichen, Fehler in unserem Modell des subatomaren Universums zu entdecken, von denen wir wissen, dass sie existieren, die aber niemand hat.“ noch finden konnte.'
Die Forschung wurde im Los Alamos National Science Center durchgeführt, wo ein spezielles Experiment eingerichtet wurde, um zu versuchen, die Lebensdauer von Neutronen zu messen. Es heißt UCNtau-Projekt und beinhaltet ultrakalte Neutronen (UCNs), die in einer Magnetgravitationsfalle gespeichert werden.
Die Neutronen werden nahezu auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt und in der Falle platziert, einer schalenförmigen Kammer, die mit Tausenden von Permanentmagneten ausgekleidet ist, die die Neutronen in einem Vakuummantel schweben lassen.
Das Magnetfeld verhindert die Depolarisation der Neutronen und verhindert in Kombination mit der Schwerkraft, dass die Neutronen entweichen. Dieses Design ermöglicht die Speicherung von Neutronen für bis zu 11 Tage.
Die Forscher speicherten ihre Neutronen 30 bis 90 Minuten lang in der UCNtau-Falle und zählten dann nach der vorgegebenen Zeit die verbleibenden Teilchen. In wiederholten Experimenten, die zwischen 2017 und 2019 durchgeführt wurden, zählten sie über 40 Millionen Neutronen und erhielten so genügend statistische Daten, um die Lebensdauer der Teilchen mit der bisher größten Präzision zu bestimmen.
Diese Lebensdauer beträgt laut Analyse der Forscher etwa 877,75 ± 0,28 Sekunden (14 Minuten und 38 Sekunden). Die verfeinerte Messung kann dazu beitragen, dem Universum wichtige physikalische Grenzen zu setzen, einschließlich der Bildung von Materie und Dunkle Materie .
Nach dem Urknall ging es relativ schnell. In den allerersten Augenblicken kühlte die heiße, ultradichte Materie, die das Universum erfüllte, zu Quarks und Elektronen ab; Nur eine Millionstelsekunde später verschmolzen die Quarks zu Protonen und Neutronen.
Die Kenntnis der Lebensdauer des Neutrons kann Physikern helfen zu verstehen, welche Rolle zerfallende Neutronen, wenn überhaupt, bei der Bildung der mysteriösen Masse im Universum, die als Dunkle Materie bekannt ist, spielen. Diese Informationen können auch dabei helfen, die Gültigkeit von etwas namens zu testen Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix , was hilft, das Verhalten von Quarks unter dem zu erklären Standardmodell der Physik, sagten die Forscher.
„Das zugrunde liegende Modell, das den Neutronenzerfall erklärt, beinhaltet, dass die Quarks ihre Identität ändern, aber kürzlich verbesserte Berechnungen deuten darauf hin, dass dieser Prozess möglicherweise nicht wie zuvor vorhergesagt abläuft.“ Gespeichert sagte .
„Unsere neue Messung der Neutronenlebensdauer wird eine unabhängige Bewertung zur Lösung dieses Problems liefern oder den viel gesuchten Beweis für die Entdeckung neuer Physik liefern.“
Die Forschung wurde angenommen Briefe zur körperlichen Untersuchung , und ist verfügbar unter arXiv .