Partiklar som kallas neutroner är vanligtvis mycket innehåll inuti atomer. De stannar kvar i miljarder år och längre inuti några av atomerna som utgör materia i vårt universum. Men när neutroner är fria och flyter ensamma utanför en atom, de börjar sönderfalla till protoner och andra partiklar. Deras livstid är kort, varar bara cirka 15 minuter.

Fysiker har ägnat decennier åt att försöka mäta den exakta livslängden för en neutron med hjälp av två tekniker, den ena involverar flaskor och den andra balkar. Men resultaten från de två metoderna har inte matchat:de skiljer sig med cirka 9 sekunder, vilket är signifikant för en partikel som bara lever cirka 15 minuter.

Nu, i en ny studie publicerad i tidskriften Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare har gjort den mest exakta mätningen hittills av en neutrons livstid med hjälp av flasktekniken. Experimentet, känd som UCNtau (för Ultra Cold Neutrons tau, där tau avser neutronlivslängden), har avslöjat att neutronen lever 14,629 minuter med en osäkerhet på 0,005 minuter. Detta är en faktor av två mer exakt än tidigare mätningar gjorda med någon av metoderna. Även om resultaten inte löser mysteriet om varför flask- och strålmetoderna inte överensstämmer, de för forskarna närmare ett svar.

"Detta nya resultat ger en oberoende bedömning för att hjälpa till att lösa neutronlivstidspusslet, " säger Brad Filippone, Francis L. Moseley professor i fysik och medförfattare till den nya studien. Metoderna fortsätter att vara oense, han förklarar, för att antingen en av metoderna är felaktig eller för att något nytt är på gång i fysiken som ännu inte förstås.

"När det kombineras med andra precisionsmätningar, detta resultat skulle kunna ge det mycket eftersökta beviset för upptäckten av ny fysik, " han säger.

Resultaten kan också hjälpa till att lösa andra långvariga mysterier, till exempel hur materia i vårt spädbarnsuniversum först stelnade ur en het soppa av neutroner och andra partiklar. "När vi vet neutronlivslängden exakt, det kan hjälpa till att förklara hur atomkärnor bildades i universums tidiga minuter, säger Filippone.

Blindtester

Under 2017 och 2018, UCNtau-teamet utförde två flaskaxperiment vid Los Alamos National Laboratory (LANL). I flaskmetoden, fria neutroner fångas i en ultrakyla, magnetiserad flaska ungefär lika stor som ett badkar, där de börjar sönderfalla till protoner. Genom att använda sofistikerade dataanalysmetoder, forskare kan räkna hur många neutroner som finns kvar över tiden. (I strålmetoden, en stråle av neutroner sönderfaller till protoner, och protonerna räknas inte neutronerna.)

Under experimentens lopp, UCNtau-samarbetet räknade 40 miljoner neutroner.

För att ta bort eventuella fördomar i mätningarna, orsakas av att forskare medvetet eller omedvetet snedvrider resultaten för att matcha förväntade resultat, samarbetet delades upp i tre grupper som arbetade på ett blindt sätt. Ett lag leddes av Caltech, en annan av Indiana University, och en annan av LANL. Varje lag fick en falsk klocka, så att forskarna faktiskt inte skulle veta hur lång tid som hade gått.

"Vi gjorde våra klockor avsiktligt lite sänkta med ett belopp som någon visste men sedan höll hemliga till slutet av experimentet, " säger medförfattaren Eric Fries (Ph.D. '22), som ledde Caltech-teamet och utförde forskningen som en del av sin doktorsexamen. avhandling.

"Detta gör experimentet mer tillförlitligt eftersom det inte finns någon chans till medveten eller omedveten bias i att anpassa resultaten för att matcha den förväntade neutronlivslängden, tillägger Filippone. vi vet inte den faktiska livslängden förrän vi korrigerar för detta i slutet under 'avblindingen'."

Att fånga de blixtlåsande neutronerna

En utmaning i studiet av herrelösa neutroner är att de lätt kan binda till atomer, säger Filippone. Han noterar att atomkärnor i experimentapparaten lätt kan "äta upp neutronerna som Pac-Man." Som ett resultat, forskarna var tvungna att skapa ett mycket tätt vakuum i kammaren för att hålla borta oönskade gaser.

De var också tvungna att dramatiskt bromsa neutronerna så att de kan fångas in av magnetfält och räknas.

"Vi måste kyla ner dessa neutroner genom olika steg, " säger Filippone. "Nyckelsteget i slutet är att få neutronerna att interagera med en fast fryst bit deuterium [en tyngre version av väte] ungefär lika stor som en födelsedagstårta, vilket gör att neutronerna förlorar energi."

När experimenten var gjorda och data samlades in, vart och ett av de tre teamen använde olika metoder för att analysera data. Fries och Caltech-teamet använde maskininlärningsmetoder för att hjälpa till att räkna neutronerna. "Den knepiga delen är att titta på de enskilda datapunkterna och säga, ja, det är faktiskt en neutron, säger Fries.

När alla tre lagen avblindade sina resultat, de fann en anmärkningsvärd nivå av överensstämmelse. "Vi hanterade alla uppgifterna olika men kom fram till nästan samma svar, med skillnader som var mindre än det totala statistiska felet, säger Fries.

I slutet, neutronlivslängden beräknades med en precision bättre än 400 ppm, vilket gör det till det mest exakta resultatet hittills. Framtida experiment pågår för att ytterligare förfina mätningar gjorda med strålmetoden och för att i slutändan avgöra om systematiska fel eller ny fysik ligger bakom mysteriet om neutronlivstid.

Tidningen heter, "En förbättrad neutronlivslängdsmätning med UCNtau."