Deeltjes die neutronen worden genoemd, zijn meestal erg tevreden in atomen. Ze blijven miljarden jaren en langer in sommige van de atomen waaruit de materie in ons universum bestaat. Maar als neutronen vrij zijn en alleen buiten een atoom drijven, ze beginnen te vervallen in protonen en andere deeltjes. Hun leven is kort, duurt slechts ongeveer 15 minuten.

Natuurkundigen hebben decennialang geprobeerd de precieze levensduur van een neutron te meten met behulp van twee technieken:een met flessen en de andere met balken. Maar de resultaten van de twee methoden komen niet overeen:ze verschillen ongeveer 9 seconden, wat significant is voor een deeltje dat maar ongeveer 15 minuten leeft.

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , een team van wetenschappers heeft de meest nauwkeurige meting tot nu toe van het leven van een neutron gedaan met behulp van de flestechniek. Het experiment, bekend als UCNtau (voor Ultra Cold Neutrons tau, waarbij tau verwijst naar de levensduur van het neutron), heeft onthuld dat het neutron 14,629 minuten leeft met een onzekerheid van 0,005 minuten. Dit is een factor twee nauwkeuriger dan eerdere metingen die met een van beide methoden zijn gedaan. Hoewel de resultaten het mysterie niet oplossen waarom de fles- en straalmethoden niet overeenkomen, ze brengen wetenschappers dichter bij een antwoord.

"Dit nieuwe resultaat biedt een onafhankelijke beoordeling om de puzzel over de levensduur van neutronen te helpen oplossen, " zegt Brad Filippone, de Francis L. Moseley Professor of Physics en een co-auteur van de nieuwe studie. De methoden blijven het oneens, hij legt uit, omdat een van de methoden defect is of omdat er iets nieuws aan de hand is in de natuurkunde dat nog moet worden begrepen.

"In combinatie met andere precisiemetingen, dit resultaat zou het veel gezochte bewijs kunnen leveren voor de ontdekking van nieuwe fysica, " hij zegt.

De resultaten kunnen ook helpen bij het oplossen van andere al lang bestaande mysteries, zoals hoe materie in ons baby-universum voor het eerst stolde uit een hete soep van neutronen en andere deeltjes. "Zodra we de levensduur van de neutronen precies kennen, het kan helpen verklaren hoe atoomkernen werden gevormd in de eerste minuten van het heelal, ' zegt Filippon.

Blinde tests

In 2017 en 2018, het UCNtau-team voerde twee flesexperimenten uit in het Los Alamos National Laboratory (LANL). Bij de flesmethode vrije neutronen zitten gevangen in een ultrakoude, gemagnetiseerde fles ter grootte van een badkuip, waar ze beginnen te vervallen tot protonen. Met behulp van geavanceerde data-analysemethoden, onderzoekers kunnen tellen hoeveel neutronen er in de loop van de tijd overblijven. (In de bundelmethode, een bundel neutronen vervalt in protonen, en de protonen worden meegeteld, niet de neutronen.)

In de loop van de experimenten, de UCNtau-samenwerking telde 40 miljoen neutronen.

Om eventuele vooroordelen in de metingen te verwijderen, veroorzaakt door onderzoekers die de resultaten bewust of onbewust scheef trekken om overeen te komen met de verwachte resultaten, de samenwerking splitste zich in drie groepen die blind te werk gingen. Een team werd geleid door Caltech, een andere door de Universiteit van Indiana, en een andere door LANL. Elk team kreeg een nepklok, zodat de onderzoekers eigenlijk niet zouden weten hoeveel tijd er was verstreken.

"We hebben onze klokken met opzet een beetje afgesteld met een hoeveelheid die iemand wist, maar die we geheim hielden tot het einde van het experiment, " zegt co-auteur Eric Fries (Ph.D. '22), die het Caltech-team leidde en het onderzoek uitvoerde als onderdeel van zijn Ph.D. stelling.

"Dit maakt het experiment betrouwbaarder omdat er geen kans is op bewuste of onbewuste vooringenomenheid bij het aanpassen van de resultaten aan de verwachte levensduur van het neutron, "voegt Filippone eraan toe. "Dus, we weten de werkelijke levensduur niet totdat we dit helemaal aan het einde corrigeren tijdens het 'ontblinden'."

De pittige neutronen vangen

Een uitdaging bij de studie van verdwaalde neutronen is dat ze gemakkelijk aan atomen kunnen binden, zegt Filipponé. Hij merkt op dat atoomkernen in het experimentele apparaat "de neutronen zoals Pac-Man gemakkelijk kunnen opeten". Als resultaat, de onderzoekers moesten een zeer strak vacuüm in de kamer creëren om ongewenste gassen buiten te houden.

Ze moesten ook de neutronen drastisch vertragen, zodat ze door magnetische velden kunnen worden gevangen en geteld.

"We moeten deze neutronen via verschillende stappen afkoelen, "zegt Filippone. "De belangrijkste stap aan het einde is om de neutronen te laten interageren met een vast bevroren stuk deuterium [een zwaardere versie van waterstof] ter grootte van een verjaardagstaart, waardoor de neutronen energie verliezen."

Nadat de experimenten waren uitgevoerd en de gegevens waren verzameld, elk van de drie teams gebruikte verschillende benaderingen om de gegevens te analyseren. Fries en het Caltech-team gebruikten machinale leermethoden om de neutronen te tellen. "Het lastige is om naar de individuele datapunten te kijken en te zeggen:Ja, dat is in feite een neutron, ' zegt Frits.

Toen alle drie de teams hun resultaten deblindeerden, ze vonden een opmerkelijke mate van overeenstemming. "We gingen allemaal anders om met de gegevens, maar kwamen met bijna hetzelfde antwoord, met verschillen die kleiner waren dan de totale statistische fout, ' zegt Frits.

Uiteindelijk, de levensduur van de neutronen werd berekend met een precisie beter dan 400 delen per miljoen, waardoor dit het meest nauwkeurige resultaat tot nu toe is. Toekomstige experimenten zijn aan de gang om metingen die zijn gedaan met behulp van de bundelmethode verder te verfijnen en om uiteindelijk te bepalen of systematische fouten of nieuwe fysica achter het mysterie van de neutronenlevensduur zitten.

Het blad is getiteld, "Een verbeterde meting van de levensduur van neutronen met UCNtau."