För att lösa ett långvarigt pussel om hur länge en neutron kan "leva" utanför en atomkärna, underhöll fysiker en vild men testbar teori som antyder att det finns en högerhänt version av vårt vänsterhänta universum. De designade ett sinnesböjande experiment vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory för att försöka upptäcka en partikel som har spekulerats men inte upptäckts. Om den hittas kan den teoretiserade "spegelneutronen" - en tvilling av mörk materia till neutronen - förklara en diskrepans mellan svaren från två typer av neutronlivstidsexperiment och ge den första observationen av mörk materia.

"Mörk materia är fortfarande en av de viktigaste och mest förbryllande frågorna inom vetenskapen – tydliga bevis för att vi inte förstår all materia i naturen", säger ORNL:s Leah Broussard, som ledde studien publicerad i Physical Review Letters .

Neutroner och protoner utgör en atoms kärna. Men de kan också existera utanför kärnor. Förra året, med hjälp av Los Alamos Neutron Science Center, ledde medförfattaren Frank Gonzalez, nu på ORNL, den mest exakta mätningen någonsin av hur länge fria neutroner lever innan de sönderfaller, eller förvandlas till protoner, elektroner och anti-neutriner. Svaret – 877,8 sekunder, ge eller ta 0,3 sekunder, eller lite under 15 minuter – antydde en spricka i standardmodellen för partikelfysik. Den modellen beskriver beteendet hos subatomära partiklar, till exempel de tre kvarkar som utgör en neutron. Vändningen av kvarkar initierar neutronsönderfall till protoner.

"Neutronlivslängden är en viktig parameter i standardmodellen eftersom den används som en indata för att beräkna kvarkblandningsmatrisen, som beskriver kvarkavklingningshastigheter", säger Gonzalez, som beräknade sannolikheten för neutroner som oscillerar för ORNL-studien. "Om kvarkarna inte blandas som vi förväntar oss att de ska, tyder det på ny fysik bortom standardmodellen."

För att mäta livslängden för en fri neutron tar forskarna två tillvägagångssätt som borde komma fram till samma svar. Man fångar neutroner i en magnetflaska och räknar deras försvinnande. Den andra räknar protoner som dyker upp i en stråle när neutroner sönderfaller. Det visar sig att neutroner verkar leva nio sekunder längre i en stråle än i en flaska.

Under årens lopp har förvirrade fysiker övervägt många orsaker till avvikelsen. En teori är att neutronen omvandlas från ett tillstånd till ett annat och tillbaka igen. "Oscillation är ett kvantmekaniskt fenomen," sa Broussard. "Om en neutron kan existera som antingen en vanlig neutron eller en spegelneutron, så kan du få den här sortens oscillation, en gunga fram och tillbaka mellan de två tillstånden, så länge den övergången inte är förbjuden."

Det ORNL-ledda teamet utförde den första sökningen efter neutroner som svänger in i spegelneutroner av mörk materia med hjälp av en ny teknik för försvinnande och regenerering. Neutronerna tillverkades vid Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science-användaranläggning. En stråle av neutroner leddes till SNS:s magnetismreflektometer. Michael Fitzsimmons, en fysiker med en gemensam utnämning vid ORNL och University of Tennessee, Knoxville, använde instrumentet för att applicera ett starkt magnetfält för att förbättra svängningar mellan neutrontillstånd. Sedan träffade strålen en "vägg" gjord av borkarbid, som är en stark neutronabsorbator.

Om neutronen faktiskt pendlar mellan regelbundet och spegeltillstånd, när neutrontillståndet träffar väggen, kommer det att interagera med atomkärnor och absorberas i väggen. Om den är i sitt teoretiserade spegelneutrontillstånd är det dock mörk materia som inte kommer att interagera.

Så bara spegelneutroner skulle ta sig genom väggen till andra sidan. Det skulle vara som om neutronerna hade gått igenom en "portal" till någon mörk sektor – ett bildligt begrepp som används i fysiksamhället. Ändå hade pressen som rapporterade om tidigare relaterat arbete roligt att ta sig friheter med konceptet, och jämförde det teoretiserade spegeluniversum som Broussards team utforskar med den alternativa verkligheten "Upside Down" i TV-serien "Stranger Things". Teamets experiment utforskade inte en bokstavlig portal till ett parallellt universum.

"Dynamiken är densamma på andra sidan av väggen, där vi försöker inducera vad som förmodligen är spegelneutroner - tvillingtillståndet i mörk materia - att förvandlas till vanliga neutroner", säger medförfattaren Yuri Kamyshkov, en UT-fysiker som tillsammans med kollegor länge har drivit idéerna om neutronoscillationer och spegelneutroner. "Om vi ​​ser några regenererade neutroner kan det vara en signal om att vi har sett något riktigt exotiskt. Upptäckten av mörk materias partikelnatur skulle få enorma konsekvenser."

Matthew Frost från ORNL, som doktorerade från UT i samarbete med Kamyshkov, utförde experimentet med Broussard och hjälpte till med dataextraktion, reduktion och analys. Frost och Broussard utförde preliminära tester med hjälp av Lisa DeBeer-Schmitt, en neutronspridningsforskare vid ORNL.

Lawrence Heilbronn, kärnteknisk ingenjör vid UT, karakteriserade bakgrunder, medan Erik Iverson, fysiker vid ORNL, karakteriserade neutronsignaler. Genom DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships-program, kom Michael Kline från Ohio State University på hur man beräknar svängningar med hjälp av grafiska bearbetningsenheter - acceleratorer för specifika typer av beräkningar i applikationskoder - och utförde oberoende analyser av neutronstrålens intensitet och statistik , och Taylor Dennis från East Tennessee State University hjälpte till att sätta upp experimentet och analyserade bakgrundsdata och blev finalist i en tävling för detta arbete. UT-studenterna Josh Barrow, James Ternullo och Shaun Vavra med studenterna Adam Johnston, Peter Lewiz och Christopher Matteson bidrog i olika skeden av experimentförberedelser och analys. University of Chicago doktorand Louis Varriano, en före detta UT Torchbearer, hjälpte till med konceptuella kvantmekaniska beräkningar av spegel-neutronregenerering.

Slutsatsen:Inga tecken på neutronregenerering sågs. "Hundra procent av neutronerna stannade; noll procent passerade genom väggen," sa Broussard. Oavsett vilket är resultatet fortfarande viktigt för kunskapsutvecklingen inom detta område.

Med en speciell teori om spegelmateria avfärdad, vänder sig forskarna till andra för att försöka lösa neutronernas livstidspussel. "Vi kommer att fortsätta leta efter orsaken till avvikelsen," sa Broussard. Hon och kollegor kommer att använda High Flux Isotope Reactor, en DOE Office of Science-användaranläggning på ORNL, för det. Pågående uppgraderingar vid HFIR kommer att göra känsligare sökningar möjliga eftersom reaktorn kommer att producera ett mycket högre flöde av neutroner, och den avskärmade detektorn vid dess småvinklade neutronspridningsdiffraktometer har en lägre bakgrund.

Eftersom det rigorösa experimentet inte hittade bevis på spegelneutroner kunde fysikerna utesluta en långsökt teori. Och det tar dem närmare att lösa pusslet.

Om det verkar tråkigt att livstidspusslet för neutroner förblir olöst, ta tröst från Broussard:"Fysik är svårt eftersom vi har gjort ett för bra jobb på det. Bara de riktigt svåra problemen - och lyckliga upptäckter - är kvar." + Utforska vidare

Att förstå det tidiga universum beror på att man uppskattar neutronernas livslängd