Negen seconden. Een eeuwigheid in sommige wetenschappelijke experimenten; een onvoorstelbaar klein bedrag in het grote geheel van het universum. En net lang genoeg om kernfysici in verwarring te brengen die de levensduur van het neutron bestuderen.

Het neutron is een van de bouwstenen van materie, de neutrale tegenhanger van het positieve proton. Net als veel andere subatomaire deeltjes, het neutron blijft niet lang buiten de kern. In de loop van ongeveer 15 minuten, het valt uiteen in een proton, een elektron, en een klein deeltje genaamd een anti-neutrino.

Maar hoe lang het duurt voordat het neutron uit elkaar valt, is een beetje een mysterie. Eén methode meet het als 887,7 seconden, plus of min 2,2 seconden. Een andere methode meet het als 878,5 seconden, plus of min 0,8 seconde. Aanvankelijk, dit verschil leek een kwestie van meetgevoeligheid te zijn. Het kan alleen dat zijn. Maar terwijl wetenschappers een reeks steeds preciezere experimenten blijven uitvoeren om mogelijke problemen te evalueren, de discrepantie blijft.

Deze persistentie leidt tot de mogelijkheid dat het verschil wijst op een soort onbekende fysica. Het zou een onbekend proces in neutronenverval kunnen onthullen. Of het zou kunnen wijzen op een wetenschap die verder gaat dan het standaardmodel dat wetenschappers momenteel gebruiken om alle deeltjesfysica te verklaren. Er zijn een aantal fenomenen die het standaardmodel niet volledig verklaart en dit verschil zou de weg kunnen wijzen naar het beantwoorden van die vragen.

Om deze vreemde ongelijkheid te ontrafelen, het Department of Energy's (DOE) Office of Science werkt samen met andere federale agentschappen, nationale laboratoria, en universiteiten om de duur van het neutronenleven vast te stellen.

Een fundamentele hoeveelheid

Kernfysici begonnen voor het eerst de levensduur van neutronen te bestuderen vanwege de essentiële rol ervan in de natuurkunde. "Er zijn enkele fundamentele grootheden in de natuur die altijd belangrijk lijken te zijn, " zei Geoff Greene, Professor en natuurkundige van de Universiteit van Tennessee aan het Oak Ridge National Laboratory van DOE. Hij heeft het grootste deel van zijn leven, ongeveer 40 jaar, onderzoek gedaan naar de levensduur van neutronen. "Theorieën komen en gaan, maar de levensduur van de neutronen lijkt een centrale parameter te blijven in allerlei zaken."

Het neutron is een nuttige gids om andere deeltjes te begrijpen. Het is het eenvoudigste deeltje dat radioactief is, wat betekent dat het regelmatig uiteenvalt in andere deeltjes. Als zodanig, het geeft veel inzicht in de zwakke kracht, de kracht die bepaalt of neutronen in protonen veranderen of niet. Vaak, bij dit proces komt energie vrij en zorgt ervoor dat de kernen uit elkaar vallen. De interacties van de zwakke kracht spelen ook een belangrijke rol bij kernfusie, waar twee protonen samenkomen.

De levensduur van de neutronen kan ook inzicht geven in wat er vlak na de oerknal is gebeurd. In de paar seconden nadat protonen en neutronen waren gevormd, maar voordat ze zich tot elementen verenigden, er was een precieze timing. Het heelal koelde snel af. Op een bepaald moment, het werd koel genoeg dat protonen en neutronen bijna onmiddellijk samenkwamen om helium en waterstof te vormen. Als neutronen iets sneller of langzamer vervallen tot protonen, het zou grote gevolgen hebben voor dat proces. Er zou een heel ander evenwicht van elementen in het universum zijn; het is waarschijnlijk dat het leven niet zou bestaan.

"Het is een van die toevallige ongelukken van de natuur dat we überhaupt chemische elementen hebben, ' zei Groen.

Wetenschappers zouden graag een vast getal hebben voor de levensduur van de neutronen om in deze vergelijkingen te passen. Ze hebben de onzekerheid van het leven nodig tot minder dan een seconde. Maar het verkrijgen van deze zekerheid is moeilijker dan het aanvankelijk leek. "De levensduur van de neutronen is een van de minst bekende fundamentele parameters in het standaardmodel, " zei Zhaowen Tang, een natuurkundige bij DOE's Los Alamos National Laboratory (LANL).

Individuele experimenten hebben dit niveau van precisie kunnen bereiken. Maar de incongruentie tussen verschillende soorten experimenten weerhoudt wetenschappers ervan een specifiek aantal vast te stellen.

Een discrepantie ontdekken

Het ontdekken dat er een verschil was, kwam voort uit de wens van natuurkundigen om allesomvattend te zijn. Het gebruik van twee of meer methoden om dezelfde hoeveelheid te meten is de beste manier om een ​​nauwkeurige meting te garanderen. Maar wetenschappers kunnen geen timers op neutronen zetten om te zien hoe snel ze uit elkaar vallen. In plaats daarvan, ze vinden manieren om neutronen te meten voor en nadat ze vervallen om de levensduur te berekenen.

Beam-experimenten gebruiken machines die stromen van neutronen creëren. Wetenschappers meten het aantal neutronen in een specifiek volume van de bundel. Vervolgens sturen ze de stroom door een magnetisch veld en in een deeltjesvanger gevormd door een elektrisch en magnetisch veld. De neutronen vervallen in de val, waar de wetenschappers uiteindelijk het aantal protonen meten.

"Het straalexperiment is een heel moeilijke manier om een ​​precisiemeting uit te voeren, zei Shannon Hoogerheide, een natuurkundige aan het National Institute of Standards and Technology (NIST), die heeft samengewerkt met DOE-wetenschappers. "De straalmeting vereist niet één, maar twee absolute metingen."

In tegenstelling tot, flessenexperimenten vangen ultrakoude neutronen op in een container. Ultrakoude neutronen bewegen veel langzamer dan gewone neutronen - een paar meter per seconde vergeleken met de 10 miljoen meter per seconde van splijtingsreacties. Wetenschappers meten aan het begin hoeveel neutronen er in de container zitten en na een bepaalde tijd nog een keer. Door het verschil te onderzoeken, ze kunnen berekenen hoe snel de neutronen vergaan.

"Het flessenexperiment meet de overlevenden, het straalexperiment meet de doden, " zei Greene. "Het flessenexperiment klinkt makkelijk, maar is eigenlijk heel moeilijk. Anderzijds, het straalexperiment klinkt hard en is moeilijk."

Een straalexperiment bij NIST in 2005 (met steun van DOE) en een flesexperiment in Frankrijk niet lang daarna brachten voor het eerst het verschil in meting aan het licht. Vanaf dat moment, experimenten hebben geprobeerd de ruimte tussen de twee te verkleinen door zoveel mogelijk onzekerheden te minimaliseren.

Greene en zijn medewerkers deden in 2013 nieuwe metingen bij NIST, waardoor ze het straalexperiment van 2005 nog nauwkeuriger konden herberekenen. Op dat punt, wetenschappers hadden vijf fles- en twee straalexperimenten voltooid. Greene was ervan overtuigd dat eerdere straalexperimenten een van de grootste bronnen van onzekerheid hadden gemist:het nauwkeurig tellen van het aantal neutronen in de straal. Ze verbeterden hun meting van deze variabele om deze vijf keer nauwkeuriger te maken. Maar na acht jaar hard werken bleven ze met bijna exact dezelfde kloof in resultaten.

Natuurkundigen die aan flessenexperimenten werkten, stonden voor hun eigen strijd. Een van de grootste uitdagingen was om te voorkomen dat de neutronen verloren zouden gaan door interacties met het materiaal waarvan de container is gemaakt. Een lek verandert het aantal neutronen aan het einde en gooit de levensduurberekening weg.

Om dit probleem op te lossen, het meest recente flesexperiment bij LANL (dat werd ondersteund door het Office of Science) elimineerde fysieke muren. In plaats daarvan, de kernfysici gebruikten magnetische velden en zwaartekracht om de neutronen op hun plaats te houden. "Ik was in het kamp van, als we dat doen, we kunnen een neutron ertoe brengen om langer te leven en akkoord te gaan met de levensduur van de straal, " zei Chen-Yu Liu, een professor aan de Indiana University die het experiment leidde. "Dat was mijn persoonlijke vooroordeel."

Maar het verschil bleef. "Dat was een grote schok voor mij, " ze zei, met een beschrijving van het resultaat dat in 2018 is gepubliceerd. De kans dat dat verschil door willekeurige kans gebeurt, is minder dan één op 10, 000. Maar het kan nog steeds worden veroorzaakt door een fout in de experimenten.

Op jacht naar de oorzaak

Wetenschappers worden geconfronteerd met twee soorten onzekerheden of fouten in experimenten:statistisch of systematisch. Statistische fouten ontstaan ​​doordat er niet genoeg gegevens zijn om solide conclusies te trekken. Als u meer gegevens kunt krijgen, u kunt die fouten op betrouwbare wijze verlagen. Systematische fouten zijn fundamentele onzekerheden bij het experiment. Vele keren, ze zijn verre van duidelijk. De twee soorten experimenten met de levensduur van neuronen hebben enorm verschillende potentiële systematische fouten. De experimenten zouden een goede controle op elkaar zijn als de resultaten overeenkomen. Maar het maakt het duivels moeilijk om erachter te komen waarom ze dat niet doen.

"Het moeilijkste aan het meten van de levensduur van neutronen is dat het zowel te kort als te lang is, "zei Hoogerheide. "Het blijkt dat 15 minuten een heel ongemakkelijke tijd is om te meten in de natuurkunde."

Dus nucleaire wetenschappers blijven werken om meer gegevens te verzamelen en systematische fouten te minimaliseren.

"Een van de dingen die ik het leukste vind aan mijn vakgebied, is de voortreffelijke aandacht voor detail die vereist is en hoe diep je elk aspect van je experiment moet begrijpen om een ​​robuuste meting te kunnen doen, " zei Lea Broussard, een kernfysicus bij ORNL.

Bij NIST, Hoogerheide, Groen, en anderen voeren een nieuw straalexperiment uit dat elk mogelijk probleem op een zo uitgebreid mogelijke manier doorloopt. Helaas, elke aanpassing heeft invloed op de andere, dus het is twee stappen vooruit, een stap terug.

Andere inspanningen zijn op zoek naar nieuwe manieren om de levensduur van neutronen te meten. Onderzoekers van de Johns Hopkins University en de Britse Durham University, ondersteund door DOE, hebben ontdekt hoe gegevens van NASA kunnen worden gebruikt om de levensduur van neutronen te meten. Gebaseerd op neutronen die van Venus en Mercurius komen, ze berekenden een levensduur van 780 seconden met een onzekerheid van 130 seconden. Maar omdat de gegevensverzameling niet voor dit doel is ontworpen, de onzekerheid is te groot om het levensduurverschil op te lossen. Bij LANL, Tang zet een experiment op dat een kruising is tussen de fles- en straalexperimenten. In plaats van protonen aan het eind te meten, het zal elektronen meten.

Er wachten exotische mogelijkheden

Er is ook de mogelijkheid dat het verschil een hiaat in onze kennis van dit fundamentele deeltje onthult.

"We kunnen geen stenen onberoerd laten, " zei Tang. "Er zijn zoveel voorbeelden van mensen die iets hebben gezien, heb net iets naar een fout gegooid, niet hard genoeg aan gewerkt, en iemand anders deed het en zij kregen de Nobelprijs."

Een theorie is dat het neutron afbreekt op een manier waarvan wetenschappers zich eenvoudigweg niet bewust zijn. Het kan uiteenvallen in andere deeltjes dan het bekende proton, elektron, en anti-neutrino combinatie. Zo ja, dat zou verklaren waarom neutronen verdwijnen in de flessenexperimenten, maar het overeenkomstige aantal protonen niet verschijnen in de bundelexperimenten.

Andere ideeën zijn nog radicaler. Sommige theoretici stelden voor dat neutronen uiteenvallen in gammastralen en mysterieuze donkere materie. Donkere materie maakt 75 procent uit van de materie in het heelal, maar voor zover we weten, interageert alleen met gewone materie via zwaartekracht. Om deze theorie te testen, een groep wetenschappers van LANL deed een versie van het flessenexperiment waarbij ze zowel neutronen als gammastralen maten. Maar de voorgestelde gammastralen kwamen niet uit, waardoor wetenschappers geen bewijs hebben voor donkere materie van neutronen.

Spiegelmaterie is een ander mogelijk concept dat klinkt als sciencefiction. In theorie, de "ontbrekende" neutronen kunnen veranderen in spiegelneutronen, perfecte kopieën die bestaan ​​in een tegenovergesteld universum. Op een andere manier geëvolueerd dan ons universum, dit spiegeluniversum zou veel kouder zijn en gedomineerd door helium. Hoewel sommige nucleaire wetenschappers, zoals Greene, denken dat dit "onaannemelijk is, " anderen zijn geïnteresseerd om het te testen voor het geval dat.

"Het is relatief onontgonnen terrein. Het is erg aantrekkelijk voor mij omdat ik een geweldige bron van neutronen in mijn achtertuin heb, " zei Broussard, verwijzend naar de Spallation Neutron Source en High Flux Isotoop Reactor, beide DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten bij ORNL.

Om deze theorie te testen, Broussard analyseert gegevens van een experiment dat de straallevensduurexperimenten nabootst, maar aangepast om een ​​teken van de potentiële onzichtbare partner van het neutron te vangen. Door een neutronenstraal door een specifiek magnetisch veld te schieten en deze vervolgens te stoppen met een materiaal dat normale neutronen stopt, zij en haar collega's zouden moeten kunnen detecteren of er al dan niet spiegelneutronen bestaan.

Welke resultaten dit experiment ook oplevert, het werk om de levensduur van de neutronen te begrijpen zal doorgaan. "Het is veelzeggend dat er zoveel pogingen zijn gedaan om de levensduur van de neutronen nauwkeurig te meten. Dat vertelt je de emotionele reactie van wetenschappers op een discrepantie in het veld - "Ik wil dit onderzoeken!", zei Broussard. "Elke wetenschapper wordt gemotiveerd door het verlangen om te leren, het verlangen om te begrijpen."