Nio sekunder. En evighet i några vetenskapliga experiment; en ofattbart liten mängd i universums stora plan. Och precis tillräckligt länge för att förvirra kärnfysiker som studerar neutrons livstid.

Neutronen är en av materiens byggstenar, den neutrala motsvarigheten till den positiva protonen. Liksom många andra subatomära partiklar, neutronen varar inte länge utanför kärnan. Under cirka 15 minuter, det går sönder till en proton, en elektron, och en liten partikel som kallas anti-neutrino.

Men hur lång tid det tar för neutronen att falla sönder är lite av ett mysterium. En metod mäter det som 887,7 sekunder, plus eller minus 2,2 sekunder. En annan metod mäter det som 878,5 sekunder, plus eller minus 0,8 sekunder. I början, denna skillnad verkade vara en fråga om mätkänslighet. Det kan vara just det. Men eftersom forskare fortsätter att utföra en serie av allt mer exakta experiment för att utvärdera möjliga problem, avvikelsen kvarstår.

Denna uthållighet leder till möjligheten att skillnaden pekar på någon typ av okänd fysik. Det kan avslöja en okänd process i neutronsönderfall. Eller så kan det peka på vetenskap utöver standardmodellen som forskare för närvarande använder för att förklara all partikelfysik. Det finns ett antal fenomen som standardmodellen inte helt förklarar och denna skillnad kan peka på vägen för att besvara dessa frågor.

För att reda ut denna märkliga skillnad, Department of Energy's (DOE) Office of Science arbetar med andra federala myndigheter, nationella laboratorier, och universitet att spika ner varaktigheten av neutronlivslängden.

En grundläggande mängd

Kärnfysiker började först studera neutronernas livslängd på grund av dess viktiga roll i fysiken. "Det finns några grundläggande storheter i naturen som alltid verkar vara viktiga, " sa Geoff Greene, University of Tennessee professor och fysiker vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory. Han har undersökt neutronernas livslängd under en stor del av sin livstid - cirka 40 år. "Teorier kommer och går, men neutronlivslängden verkar förbli en central parameter i en mängd olika saker."

Neutronen är en användbar guide för att förstå andra partiklar. Det är den enklaste partikeln som är radioaktiv, vilket innebär att det regelbundet bryts ner till andra partiklar. Som sådan, det ger mycket insikt om den svaga kraften, kraften som avgör om neutroner förvandlas till protoner eller inte. Ofta, denna process frigör energi och gör att kärnorna bryts isär. Den svaga kraftens växelverkan spelar också en viktig roll i kärnfusion, där två protoner kombineras.

Neutronlivslängden kan också ge insikt i vad som hände bara ögonblick efter Big Bang. På några sekunder efter att protoner och neutroner bildades men innan de förenades till element, det var lite exakt timing. Universum svalnade snabbt. Vid en viss tidpunkt, det blev svalt nog att protoner och neutroner nästan omedelbart gick samman för att bilda helium och väte. Om neutroner sönderföll lite snabbare eller långsammare till protoner, det skulle få enorma effekter på den processen. Det skulle finnas en mycket annorlunda balans av element i universum; det är troligt att livet inte existerar.

"Det är en av naturens slumpmässiga olyckor att vi överhuvudtaget har kemiska grundämnen, sa Greene.

Forskare skulle vilja ha ett fast tal för neutronlivslängden för att kunna kopplas in i dessa ekvationer. De behöver livstidens osäkerhet ner till mindre än en sekund. Men att få denna säkerhet är svårare än vad det från början verkade. "Neutronlivslängden är en av de minst kända fundamentala parametrarna i standardmodellen, "sa Zhaowen Tang, en fysiker vid DOE:s Los Alamos National Laboratory (LANL).

Individuella experiment har kunnat nå denna precisionsnivå. Men inkonsekvensen mellan olika typer av experiment hindrar forskare från att spika fast ett specifikt antal.

Upptäcker en diskrepans

Att ta reda på att det överhuvudtaget fanns en skillnad härrörde från fysikers önskan att vara heltäckande. Att använda två eller flera metoder för att mäta samma kvantitet är det bästa sättet att garantera en korrekt mätning. Men forskare kan inte sätta timer på neutroner för att se hur snabbt de faller isär. Istället, de hittar sätt att mäta neutroner före och efter att de sönderfaller för att beräkna livslängden.

Strålexperiment använder maskiner som skapar strömmar av neutroner. Forskare mäter antalet neutroner i en specifik volym av strålen. De skickar sedan strömmen genom ett magnetfält och in i en partikelfälla som bildas av ett elektriskt och magnetiskt fält. Neutronerna sönderfaller i fällan, där forskarna mäter antalet protoner kvar i slutet.

"Strålexperimentet är ett riktigt svårt sätt att göra en precisionsmätning, sa Shannon Hoogerheide, en fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST), som har samarbetat med DOE-forskare. "Strålmätningen kräver inte en, men två absoluta mått. "

I kontrast, flaskexperiment fångar ultrakalla neutroner i en behållare. Ultrakalla neutroner rör sig mycket långsammare än vanliga – några meter per sekund jämfört med 10 miljoner meter per sekund från fissionsreaktioner. Forskare mäter hur många neutroner som finns i behållaren i början och sedan igen efter en viss tid. Genom att undersöka skillnaden, de kan beräkna hur snabbt neutronerna sönderfallit.

"Flaskaxperimentet mäter de överlevande, strålexperimentet mäter de döda, ", sa Greene. "Flaskaxperimentet låter enkelt men är faktiskt väldigt svårt. Å andra sidan, strålexperimentet låter hårt och är svårt."

Ett strålexperiment vid NIST 2005 (med stöd från DOE) och ett flaskaxperiment i Frankrike inte långt efter avslöjade först skillnaden i mätning. Sedan dess, experiment har försökt minska utrymmet mellan de två genom att minimera så många osäkerheter som möjligt.

Greene och hans medarbetare gjorde nya mätningar 2013 på NIST som hjälpte dem att räkna om 2005 års strålexperiment ännu mer exakt. Vid den tidpunkten, forskare hade genomfört fem experiment med flaskor och två strålar. Greene var övertygad om att tidigare strålexperiment hade missat en av de största källorna till osäkerhet – exakt att räkna antalet neutroner i strålen. De förbättrade sin mätning av denna variabel för att göra den fem gånger mer exakt. Men åtta års hårt arbete lämnade dem med nästan exakt samma resultatskillnad.

Fysiker som arbetade med flaskaxperiment mötte sina egna kamper. En av de största utmaningarna var att hindra neutronerna från att gå vilse från interaktioner med materialet som behållaren är gjord av. En läcka ändrar antalet neutroner i slutet och kastar bort livstidsberäkningen.

För att lösa det här problemet, det senaste flaskaxperimentet på LANL (som stöds av Office of Science) eliminerade fysiska väggar. Istället, kärnfysikerna använde magnetfält och gravitation för att hålla neutronerna på plats. "Jag var i lägret, om vi gör det, vi kan få en neutron att leva längre och hålla med strålens livslängd, " sa Chen-Yu Liu, en professor vid Indiana University som ledde experimentet. "Det var min personliga partiskhet."

Men skillnaden kvarstod. "Det var en stor chock för mig, " Hon sa, som beskriver resultatet som publicerades 2018. Oddsen för att skillnaden ska ske från en slump är mindre än en på 10, 000. Men det kan fortfarande orsakas av en brist i experimenten.

Jaga på grundorsaken

Forskare möter två typer av osäkerheter eller fel i experiment:statistiska eller systematiska. Statistiska fel kommer från att man inte har tillräckligt med data för att dra fasta slutsatser. Om du kan få mer data, du kan på ett tillförlitligt sätt minska dessa fel. Systematiska fel är grundläggande osäkerheter med experimentet. Många gånger, de är långt ifrån självklara. De två typerna av neuronlivstidsexperiment har mycket olika potentiella systematiska fel. Experimenten skulle vara en bra kontroll på varandra om resultaten stämde. Men det gör det djävulskt svårt att förstå varför de inte gör det.

"Det svåraste med att mäta neutronernas livslängd är att den är både för kort och för lång, ", sa Hoogerheide. "Det visar sig att 15 minuter är en riktigt besvärlig tid att mäta i fysik."

Så kärnvetare fortsätter arbetet med att samla in mer data och minimera systematiska fel.

"En av de saker som jag tycker är roligast med mitt område är den utsökta uppmärksamheten på detaljer som krävs och hur djupt du måste förstå varje aspekt av ditt experiment för att göra en robust mätning, sa Leah Broussard, en kärnfysiker vid ORNL.

På NIST, Hoogerheide, Greene, och andra kör ett nytt strålexperiment som går igenom varje möjlig fråga på ett så omfattande sätt som möjligt. Tyvärr, varje justering påverkar de andra, så det är två steg framåt, ett steg tillbaka.

Andra försök undersöker nya sätt att mäta neutronernas livslängd. Forskare från Johns Hopkins University och Storbritanniens Durham University med stöd av DOE kom på hur man använder data från NASA för att mäta neutronernas livslängd. Baserat på neutroner som kommer från Venus och Merkurius, de beräknade en livslängd på 780 sekunder med en osäkerhet på 130 sekunder. Men eftersom datainsamlingen inte var utformad för detta ändamål, osäkerheten är för hög för att lösa livstidsskillnaden. På LANL, Tang sätter upp ett experiment som är en korsning mellan experimenten med flaskan och strålen. Istället för att mäta protoner i slutet, det kommer att mäta elektroner.

Exotiska möjligheter väntar

Det finns också möjligheten att skillnaden avslöjar en lucka i vår kunskap om denna grundläggande partikel.

"Vi kan inte lämna några stenar ovända, " sa Tang. "Det finns så många exempel på människor som har sett något, bara slängde något till ett misstag, inte jobbat tillräckligt hårt på det, och någon annan gjorde det och de fick Nobelpriset."

En teori är att neutronen bryts ner på ett sätt som forskare helt enkelt inte är medvetna om. Det kan bryta ner till andra partiklar än den välbekanta protonen, elektron, och anti-neutrino kombination. Om det gör det, det skulle förklara varför neutroner försvinner i flaskförsöken men motsvarande antal protoner dyker inte upp i strålexperimenten.

Andra idéer är ännu mer radikala. Vissa teoretiker föreslog att neutroner bryts upp i gammastrålar och mystisk mörk materia. Mörk materia utgör 75 procent av materien i universum, men så vitt vi vet interagerar bara med reguljär materia via gravitationen. För att testa denna teori, en grupp forskare vid LANL gjorde en version av flaskexperimentet där de mätte både neutroner och gammastrålar. Men de föreslagna gammastrålarna förverkligades inte, lämnar forskarna inga bevis för mörk materia från neutroner.

Spegelmateria är ett annat möjligt begrepp som låter som science-fiction. I teorin, de "saknade" neutronerna kan förvandlas till spegelneutroner, perfekta kopior som finns i ett motsatt universum. Efter att ha utvecklats på ett annat sätt än vårt universum, detta spegeluniversum skulle vara mycket kallare och domineras av helium. Medan vissa kärnkraftsforskare som Greene tycker att detta är "osannolikt, " andra är intresserade av att testa det för säkerhets skull.

"Det är relativt outforskat territorium. Det är väldigt övertygande för mig eftersom jag har en stor källa till neutroner i min bakgård, sa Broussard, med hänvisning till spallationsneutronkällan och högflödesisotopreaktorn, både DOE Office of Science användarfaciliteter på ORNL.

För att testa denna teori, Broussard analyserar data från ett experiment som efterliknar strålens livstidsexperiment, men justerad för att fånga ett tecken på neutronens potentiella osynliga partner. Genom att skjuta en neutronstråle genom ett specifikt magnetfält och sedan stoppa den med ett material som stoppar normala neutroner, hon och hennes kollegor borde kunna upptäcka om det finns spegelneutroner eller inte.

Vilka resultat detta experiment än ger, arbetet med att förstå neutrons livstid kommer att fortsätta. "Det är mycket talande att det finns så många försök att exakt mäta neutronernas livslängd. Det berättar forskarnas känslomässiga reaktion på en diskrepans på området – "Jag vill utforska det här!'", sa Broussard. "Varje vetenskapsman är motiverad av viljan att lära, önskan att förstå."